CC BY
8
УДК 614.777:615.277.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ КАНЦЕРОГЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ВОДЕ, ПРИ ЕЕ ОСВЕТЛЕНИИ И ДЕЗИНФЕКЦИИ
А. П. Ильницкий
Лаборатория профилактики канцерогенных воздействий Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР и кафедра коммунальной гигиены I Московского медицинского института
Факт загрязнения водоемов канцерогенными полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) можно считать твердо установленным. В связи с тем что опасность поступления их вместе с водой на очистные сооружения водопроводных станций оказалась реальной, была исследована эффективность разных этапов водоочистки с точки зрения их влияния на канцерогенные вещества. В частности, показано, что канцерогенные ПАУ, адсорбированные и абсорбированные какими-либо частицами, задерживаются на скорых фильтрах и фильтрах из активированного угля (Borneff и Fischer). Гравийный фильтр полностью не задерживает ПАУ, которые могут содержаться в очищенной таким образом воде в концентрации 22—220 мкг/м3. В то же время после флоккуляции канцерогенные вещества в воде больше не определялись (Lawerenz). ПАУ, прошедшие первые этапы очистки воды, подвергаются затем действию обеззараживающих агентов — хлора, озона, ультрафиолетового излучения. Хлорирование ведет к некоторому снижению концентрации бенз(а)пирена (БП)—одного из наиболее сильных и устойчивых к внешним воздействиям канцерогенного ПАУ, но полное его обезвреживание в практических условиях не может быть достигнуто (Н. Н. Трахтман и М. Д. Манита; Graf и Nothafft). Единичные работы посвящены также изучению инактивирующего действия УФ излучения и озона (Borneff; Кпегг, и др.). Существует мнение, что для удаления канцерогенных ПАУ, содержащихся в речной воде, при небольших нагрузках достаточно фильтрации через песчаный фильтр и активированный уголь и последующего хлорирования. При больших нагрузках необходимы флоккуляция и осаждение, фильтрация через песок, активированный уголь и хлорирование (Münch).
Исследования не дают полной картины обезвреживания канцерогенных ПАУ, содержащихся в воде на различных этапах очистки ее. Вместе с тем этот вопрос имеет несомненный практический и теоретический интерес. Именно потому мы поставили перед собой цель изучить в экспериментальных условиях влияние процессов осаждения, флоккуляции и фильтрации, а также некоторых методов обеззараживания воды на канцерогенные ПАУ, содержащиеся в воде. В качестве объекта исследования выбрали БП — вещество, которое многими исследователями рассматривается сейчас в качестве санитарно-показательного для всей группы канцерогенных ПАУ.
Схема опыта была следующей. В литровые банки наливали ацетоновый раствор БП. После испарения растворителя в банку наливали 1 л прудовой воды (взвешенные вещества — 40—50 мг/л; pH 7,4; температура—15—18°) и содержимое перемешивали на шюттель-аппарате в течение 30 мин.
В опытах с изучением эффективности отстаивания пробы воды после окончания перемешивания отстаивали в течение 60 мин. По истечении срока с помощью сифона из верхнего слоя воды отбирали пробу объемом 0,5 мл.
В экспериментах с целью установить влияние флоккуляции на удаление БП, содержащегося в воде, использовали флоккулянт ВА-2 в концентрации 2 мг/л. Процесс флоккуляции завершался по истечении 30—45 мин. после окончания перемешивания.
Через 60 мин. после перемешивания для дальнейших исследований с помощью сифона из верхнего слоя воды отбирали пробу объемом 0,5 л.
Фильтрование осуществляли через слой крупнозернистого песка (диаметр 0,2—1 мм) толщиной 15 см, помещенный в стеклянные колонки диаметром 3 см. Скорость фильтрации взвеси БП в воде составляла 3—3,3 м/час, скорость фильтрации проб воды, подвергавшихся флоккуляции, 0,75—1,5 м/час. Во всех случаях фильтровали всю пробу, т. е. 1 л.
Схема опыта на полупроизводственной фильтровальной установке, имеющейся на кафедре коммунальной гигиены I Московского медицинского института, была такой же, как описано выше. Разница заключалась только в большем объеме проб, подвергавшихся исследованию (3 л), а также в параметрах самой установки (толщина слоя песчано-гравийной загрузки—100 см, диаметр колонны — 4 см, скорость фильтрации в различных сериях опытов — 5—7 и 2—3 м/час). Из полученного фильтрата для дальнейших исследований отбирали пробу объемом 1 л.
Опыты по хлорированию воды, содержащей БП, проводили в колбах емкостью 250 мл. Сроки контакта равнялись 30, 60 и 120 мин. Действие хлора прекращалось добавлением 0,1 н. раствора гипосульфита натрия. Величина остаточного хлора после 30- и 60-минутного контакта колебалась в пределах 0,2—0,3 мг/л.
Источником УФ излучения служила лампа ПРК-4, которую располагали на расстоянии 25 см от чашек Петри, содержащих воду со взвесью БП. Облучение вели 30 и 60 мин.
Озонирование осуществляли путем барботирования озонокислородной смеси. Исходная концентрация озона была равна около 0,4 г на 1 л смеси. Время барботирования составляло 5 и 7,5 мин. Действие озона прекращалось добавлением к пробе 0,1 н. раствора гипосульфита натрия.
Экстракцию БП из воды во всех случаях производили Ы-октаном.
Исходная концентрация БП в экспериментах, где действующим началом были озон и УФ облучение, колебалась в пределах 0,6—1,2-Ю-6 г/мл, в опытах по хлорированию концентрация БП была равна примерно 4 • Ю-8 г/мл.
Количественное определение БП в пробах, полученных в результате эксперимента, производили спектрально-флюоресцентным методом с использованием эффекта Шполь-ского (в замороженных при —196° кристаллических растворах). Спектры регистрировали на спектрометре ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1. Использовали модификацию метода, предложенную А. ~Я. Хесиной (1964).
На I стадии эксперимента, которую мы рассматривали как предварительную, были использованы относительно высокие начальные концентрации БП (3-Ю-8—5,4-Ю-6 г/мл). Целью этого этапа работы было лишь установление основных закономерностей изучаемых процессов,
Таблица 1
Результаты предварительного изучения эффективности различных этапов водоочистки с точки зрения их влияния на БП
Характер процесса Исходная концентрация БП (в г/мл) Количество БП, оставшееся после эксперимента (в г/мл) (в %) Эффективность (в %)
Отстаиван !е
(осаждение) 3,0 ю-8 1,3(1,24-1,5) 10-8 43 57
Флоккуляция + 3,0- ю-8
отстаивание 3,1(2,44-3,8) • Ю-8 10 90
Фильтрование 5,4 10-в 5,1(4,44-5,8) • Ю-8 1 99
Флоккуляция + 3,9(3,84-4,0) ■ Ю-8 1
фильтрование 5,4-10-в 99
поэтому его отличает небольшое количество повторов: с каждым комплексом условий проведено только по 2 опыта. Результаты их представлены в табл. 1.
Приведенные в табл. 1 результаты свидетельствуют о значительной эффективности флоккуляции и фильтрования как методов очистки воды от содержащейся в ней взвеси БП: флоккуляция снижает концентрацию БП в 10 раз, а фильтрование, как и флоккуляция + фильтрование, — в 100 раз. В наших экспериментах БП использовался в высокодисперсном состоянии, чего на практике, как правило, не бывает; в реальных условиях эффективность очистки воды от содержащегося в ней корпускулярного БП будет, по-видимому, еще выше.
Эффективность очистки воды от БП в экспериментах на полупроизводственной фильтровальной установке (с предварительной флокку-ляцией) оказалась ниже, чем в экспериментах с использованием небольших колонок для фильтрования: исходная концентрация БП, равная 2,5-Ю-8 г/мл, снизилась лишь до 3,3(2,5-М,1)-Ю-9 г/мл, т. е. на 87%. Причинами этого являются, по крайней мере, 2 фактора: значительно более высокая (примерно в 5 раз) скорость фильтрования воды и дезинфекция хлопьев флоккулянта, происходившая в результате падения струи воды с высоты около 40 см.
Для проведения основной серии экспериментов выбраны концентрации БП Ю-9 г/мл, что, безусловно, было ближе к практическим условиям.. Дальнейшее уменьшение концентрации оказалось невозможным, так как современные методы определения БП позволяют обнаруживать с необходимой степенью надежности лишь количество БП, достигающее Ю-10 г/мл и выше. Вместе с тем при избранных нами концентрациях БП на результатах опытов сказывается способность его (хотя и незначительная) растворяться в воде. Для прудовой воды, как показали эксперименты, проведенные нами совместно с К. П. Ершовой, этот уровень в среднем равен (7,0± 1,9)-10~8 г/л. Если пересчитать это количество БП на 1 мл экстракта (а из 1 л воды БП экстрагировался
Таблица2
Эффективность различных этапов водоочистки в отношении обезвреживания
малых концентраций БП
Характер процесса Количество опытов Исходная концентрация БП(х10~9 г! мл) Количество БП, оставшееся неизмененным после эксперимента (х 10~в г!мл) Эффективность метода (в %)
Отстаивание 6 1,7 0,8± 0,3 54± 16
осаждение .....
Флоккуляция + 4 3,5 1,5± 0,3 56± 9
отстаивание ..... 3 1,6 0,5(0,5-^0,6) 69
Флоккуляция +
фильтрование на по-
лупроизводственнои
установке ...... 7 7,8 0,8±0,2 89 ± 3
100 мл растворителя), то мы имеем концентрацию БП [0,7-10~9 г/мл], близкую к тем, что получены нами в основной серии экспериментов (0,7—1,5-10-9 г/мл) в результате воздействия того или иного фактора (табл. 2). Иначе говоря, в данном случае, по-видимому, достигнут предел возможности улучшения качества воды с помощью изученных методов, поскольку они рассчитаны на борьбу с веществами, взвешенными в воде, но не растворенными. Этим объясняется, в частности, практически одинаковая эффективность простого отстаивания и флоккуляции с последующим отстаиванием.
Очевидно, в результате флоккуляции с последующим фильтрованием будет задерживаться практически весь БП, находящийся в корпускулярном состоянии. Конечно, учитывая хемо-сорбиционные свойства флоккулянтов группы ВА, можно предположить, что в результате флоккуляции происходит также некоторое снижение концентрации БП, растворенного в воде, однако оно не может быть значительным.
Особый интерес представляет изучение эффективности методов обеззараживания воды с точки зрения их влияния на БП. Эксперименты
по хлорированию взвеси БП в воде подтвердили малую эффективность этого метода обеззараживания. При остаточном хлоре 0,2—0,3 мг/л через 30 мин. контакта концентрация БП снижалась примерно на 30%, через 60 мин. — всего лишь в 2 раза. Инактивация БП с помощью УФ излучения в первые 30 мин. давала такой же эффект, как и хлорирование, однако после 60 мин. воздействия УФ излучения БП разрушалось на 20% больше, чем при хлорировании. Наиболее результативным явилось озонирование. Под действием озона БП разрушался настолько быстро, что уже через 5 мин. его концентрация уменьшалась примерно в 200 раз. Через 77г мин. контакта неизмененный БП не обнаруживался.
Следует иметь в виду, что использованные нами в этой серии опытов концентрации БП (3,7-10~8—1,2-10-6 г/мл) в реальных условиях не могут быть в воде, прошедшей основные этапы очистки. Такие концентрации БП в реальных условиях могут встречаться лишь в непосредственной близости от источников массированного поступления в водоем канцерогенных углеводородов. Не исключено, что подобная ситуация сложится, например, в месте поступления в водоем плохо очищенных стоков предприятий по термической переработке горючих ископаемых и т. п. Естественно, что в подобных условиях не может быть и речи об организации в этом месте водозабора для централизованного или децентрализованного снабжения водой.
При моделированной нами схеме очистки воды (флоккуляция, фильтрование, обеззараживание — хлорирование или УФ облучение) концентрация БП снизится, по крайней мере, в 20—200 раз. Если принять, что в поверхностных водах содержание канцерогенных углеводородов, составит около 100 мкг/м3, то такое уменьшение концентрации можно, по-видимому, признать удовлетворительным. В случае использования в качестве обеззараживающего агента озона суммарное снижение концентрации БП будет значительно большим (в 2000—20 000 раз).
Растворенные в воде ПАУ пройдут этапы флоккуляции и фильтрации без значительного снижения концентрации. И здесь особенно важную роль будет играть заключительный этап очистки воды — обеззараживание. Именно от выбора обеззараживающего агента зависит эффективность обезвреживания канцерогенных ПАУ, растворенных в воде. При использовании озонирования в качестве заключительного этапа очистки воды вода, подаваемая потребителю, практически не будет содержать канцерогенных углеводородов.
ЛИТЕРАТУРА
Трахтман Н. Н., Манит а М. Д. Гиг. и сан., .1966, № 3, с. 21. — Вог-neff J., Fischer R„ Arch. Hyg. (Berl.), 1962, Bd 146, S. 1. —Idem, Ibid., 1969, Bd 143, S. 405.— Graf W„ Nothafft G., Ibid., 1963, Bd 149, S. 134. — La were nz A., Z. ges. Hyg., 1967, Bd 13, S. 844. — Monch H.-D., Ibid., 1966, Bd 12, S. 468.
Поступила lO/III 1969 r.
AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECTIVENESS OF REMOVAL OF CANCEROGENIC HYDROCARBONS IN WATER IN ITS CLARIFICATION
AND DISINFECTION
A. P. 11 nit sky
The processes of sedimentation, flocculation and filtration and some methods of water disinfection (ozonation, chlorination, ultaviolet irradiation) were found to be quite efficient for removal of benz(a)pyrene from water. The investigated methods of improving the water quality diminished the concentration of benz(a)pyrene contained in the water. The effectiveness of methodes of water treatment increased in the following order: sedimentation, flocculation and filtration. Of the water disinfection methods studied the ozonation proved to be the most effective.
