CC BY
23
УДК 613.32; 628.19
1А.Р. Галимова, 12Ю.А. Тунакова, 12С.В. Новикова, 2В.С. Валиев, 2Р.Р. Шагидуллин
'Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н Туполева, juliaprof@mail.ru 2Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, ipen-anrt@mail.ru
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИЛЬТРОВ И ФИЛЬТРОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДООЧИСТКИ ПИТЬЕВЫХ ВОД НА ТЕРРИТОРИИ Г. КАЗАНИ
Приводятся результаты исследований эффективности бытовых фильтров, представленных на потребительском рынке, для очистки от катионов металлов. Выполнено изучение сравнительных характеристик катионитов, используемых в качестве фильтроматериалов. Дана оценка риска здоровью детского населения г. Казани от потребления воды после доочистки.
Ключевые слова: питьевая вода; металлы; риск здоровью; доочистка; бытовые фильтры; фильтроматериалы.
Введение
В настоящее время оценка риска рассматривается в качестве главного механизма разработки и принятия управленческих решений для обеспечения экологической безопасности населения в условиях постоянного воздействия химического загрязнения (Окружающая среда ..., 1997; Быков и др., 1999; Ревич и др., 2004). Современные методические подходы по оценке риска здоровью населения при поступлении химических веществ в организм описаны в работах основоположников этого научного направления Б.А. Ревича (Ревич и др., 2004), Ю.А. Рахманина (Рахманин и др., 2007, 2012), С М. Новикова (Новиков и др., 2007, 2012), С.Л. Авалиани (Авалиани и др., 2012). Регламентирующим документом, обобщающим эти методические подходы, является «Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду» (Р 2.1.10.1920-04). В перечисленных выше литературных источниках устанавливается вероятность развития и определяется степень выраженности неблагоприятных эффектов на основе научного анализа токсических свойств химических веществ и условий их воздействия на человека. В ходе предыдущих исследований нами было установлено наличие повышенного уровня канцерогенного риска при систематическом употреблении питьевой водопроводной воды детским населением на территории г. Казани (Тунакова и др., 2014, 2015;Tunakova et а!., 2016). В частности, было обосновано, что для ограничения поступления металлов с потребляемой питьевой водой наиболее эффективным является ее доочистка с помощью бытовых фильтро-систем в конечной точке потребления. Использо-
вание бутилированной очищенной питьевой воды имеет ограничения ввиду более высокой стоимости и возможной фальсификации (Тунакова и др., 2014, 2016а). Дифференциация составов питьевых вод ставит задачу рационального выбора того или иного фильтра, наиболее подходящего для конкретного качества поступающей на доочистку воды, где наиболее эффективным подходом к её решению является использование методологии оценки риска здоровью (Кузнецова и др., 2011; Тунакова и др., 2016б; Тунакова и др., 2016в).
В настоящее время на рынке представлены фильтры, основанные на трёх методах очистки: адсорбции, ионного обмена и обратного осмоса (Якубаускас, 2012; Тунакова, Галимова, 2014). С целью оценки эффективности различных фильтров и фильтроматериалов было проведено исследование по определению содержания пяти катионов металлов (для которых установлены вариации содержания в питьевой водопроводной воде г. Казани в зависимости от зоны исследования) до и после применения фильтров различных типов.
Методы исследования
Для оценки катионного состава питьевых вод, доходящих до потребителей, проведено более 1400 определений концентраций катионов 2п, Fe, РЬ, Сг, Sr в питьевой водопроводной воде после доочистки различными типами фильтров. Определения концентраций металлов проводились пламенным методом атомно-абсорбционной спектрометрии в лаборатории биогеохимии ИПЭН АН РТ в рамках проведения исследований по гранту АН РТ (договор №08-196т/Г 2014). В процессе подготовки пробы 1 литр анализируемой воды выпаривался на
4/2017
33
Таблица 1. Эффективность различных типов фильтров для доочистки питьевой воды из поверхностных источников водоснабжения от ионов металлов
Фильтр Концентрация металлов, мг/л гп2+ РЬ2+ Сг3+ 8Г2+ Бе3+
Вгка До 0.02 0.01 0.005 0.16 0.09
После 0.009 0.005 0.0015 0.01 0.04
Эффективность, % 55 50 70 94 56
Аквафор «Модерн» До 0.02 0.02 0.004 0.19 0.11
После 0.009 0.006 0.001 0.02 0.04
Эффективность, % 55 70 75 89 64
Водолей «Премиум» До 0.03 0.02 0.005 0.21 0.09
После 0.006 0.006 0.001 0.01 0.016
Эффективность, % 80 70 80 95 82
Гейзер До 0.02 0.01 0.004 0.12 0.11
После 0.003 0.005 * 0.01 0.01
Эффективность, % 85 50 93 92 91
WiseWaterOsmos До 0.02 0.01 0.007 0.13 0.11
После 0.001 * 0.001 0.02 0.01
Эффективность, % 95 97 86 85 91
WaterMaker5 До 0.02 0.016 0.004 0.12 0.11
После 0.001 * * 0.006 *
Эффективность, % 95 98 93 95 99
* концентрация < 0.0003 мг/л.
водяной бане, сухой остаток растворялся в 50 мл 1 н азотной кислоты (х.ч.). Пределы обнаружения исследуемых металлов в растворах составили 0.0015-0.01 мкг/мл.
Статистическая обработка полученных результатов выполнена с помощью пакета «Statistica 6». Статистическая значимость различий средних сравниваемых величин определялась по ^критерию Стьюдента. За достоверное принимали различие на 95%-ном уровне значимости (р<0.05).
Оценка эффективности бытовых фильтров проводилась в соответствии с ГОСТ Р 518712002. Поскольку содержание металлов в большей степени зависит от принадлежности проб воды к поверхностному или подземному источнику водоснабжения, чем от протяженности и ветхости водопроводов и разводящих сетей, то сравнивалась эффективность фильтров для доочистки воды двух типов - водозабора «Волжский» (поверхностной) и водозабора «Азинский» (подземной).
Для оценки уровня канцерогенного риска после использования фильтров различных типов применялась беспороговая модель, при которой полученная величина риска показывала вероятность развития онкологических заболеваний при заданных уровнях дозовых
нагрузок (индивидуальный риск) для детского населения (Р 2.1.10.1920-04).
Результаты и их обсуждение
Результаты определения концентраций металлов сведены в таблицы 1 и 2, что позволяет сопоставить эффективность различных типов фильтров для доочистки питьевых вод, поступающих из поверхностного и подземного источников водоснабжения, от катионов металлов.
Фильтры, реализующие многоступенчатую очистку с использованием метода обратного осмоса («WiseWaterOsmos», «WaterMaker5»), показали наибольшую эффективность доочистки питьевой водопроводной воды от катионов металлов для поверхностных и подземных источников водоснабжения. Средняя эффективность очистки составляет 91%, достигая 99% (по Fe2+), но при этом требуется достаточный напор воды.
Угольные фильтры, содержащие
активированные углеволокнистые материалы, использующие метод адсорбции и имеющие наиболее низкую стоимость, показали достаточную эффективность при сравнительно небольшом количестве фильтруемой воды (6-9
34
российский журннл ииой экологии
Таблица 2. Эффективность различных типов фильтров для доочистки питьевой воды из подземных источников водоснабжения от ионов металлов
Фильтр Концентрация металлов, мг/л ги2+ РЬ2+ Сг3+ 8Г2+ Бе3+
Вгка До 0.017 0.018 0.003 0.3 0.07
После 0.008 0.009 0.001 0.04 0.03
Эффективность, % 53 50 67 87 57
Аквафор «Модерн» До 0.02 0.02 0.003 0.29 0.1
После 0.009 0.007 0.001 0.04 0.04
Эффективность, % 55 65 67 86 60
Водолей «Премиум» До 0.017 0.02 0.004 0.21 0.07
После 0.003 0.006 0.001 0.01 0.01
Эффективность, % 82 70 75 95 86
Гейзер До 0.02 0.02 0.003 0.24 0.07
После 0.003 0.005 0.001 0.023 0.005
Эффективность, % 85 75 67 90 93
WiseWaterOsmos До 0.02 0.02 0.004 0.23 0.06
После 0.002 * 0.001 0.03 0.01
Эффективность, % 90 97 75 87 83
WaterMaker 5 До 0.017 0.019 0.04 0.22 0.07
После 0.001 0.006 * 0.01 *
Эффективность, % 94 68 99 95 99
* концентрация < 0/0003 мг/л.
л/день). Данные фильтры значительно уступают по эффективности фильтрам, основанным на использовании метода обратного осмоса, однако хорошо адсорбируют ионы Sr2+ и Сг3+. Средняя их эффективность составляет 66%, максимальная -94% (по Sr2+). В условиях повышенной жесткости эффективность сорбции ионов Sr2+ такими фильтрами значительно падает.
Фильтры «Гейзер», проточные фильтры «Аквафор «Модерн»», «Водолей «Премиум»» используют метод ионного обмена, в том числе и в комбинации с методом адсорбции при добавлении минерального адсорбента. Проточные модели имеют тот же недостаток, что и фильтры обратного осмоса - требование достаточного напора воды. Они очищают воду от ионов РЬ2+, 2п2+, Fe3+ и Сг3+, почти не уступая дорогим системам, использующим метод обратного осмоса, при более низкой стоимости. Средняя эффективность этих фильтров составила 82%, максимальная - 95% (по Sr2+). Отмечена достаточная эффективность очистки вод из подземных источников.
На следующем этапе был выполнен расчет концентраций ионов металлов после доочистки протестированными фильтрами и оценка уровня канцерогенного риска для детского населения
при потреблении воды после ее доочистки. При расчете концентраций ионов металлов учитывалась вариация составов питьевых вод в различных зонах исследования. Выделение зон исследования описано в работах (Тунакова, Галимова, 2014; Тунакова, Новикова, Галимова, 2014). Дома, расположенные в 5, 6, 8 зонах, снабжаются преимущественно жесткой артезианской водой водозабора «Азино». В остальных зонах исследования водоснабжение осуществляется относительно мягкой водой из водозабора «Волжский». Результаты оценки уровня канцерогенного риска представлены в таблицах 3 и 4.
На основе проведенных экспериментальных исследований эффективности различных типов фильтров и оценки уровня канцерогенного риска при потреблении воды после доочистки можно заключить, что эффективность угольных наливных фильтров недостаточна для снижения уровня канцерогенного риска до приемлемых значений ни для одной зоны. Проточные угольные и ионообменные фильтры эффективны для зон с небольшим превышением уровня канцерогенного риска (зоны 1 и 7). Для доочистки питьевой водопроводной воды с высоким содержанием катионов свинца и хрома в зонах с высоким уровнем канцерогенного риска необходимо
4/2017
35
Таблица 3. Канцерогенный риск потребления водопроводной воды после доочистки
Зона Суммарный уровень канцерогенного риска после доочистки фильтрами
Brita Аквафор «Модерн» Водолей «Премиум» Гейзер WiseWater Osmos WaterMaker5
1 0.000011 0.000007 0.000007 0.000009 0.000002 0.000001
2 0.000050 0.000030 0.000030 0.000050 0.000003 0.000002
3 0.000022 0.000013 0.000013 0.000022 0.000001 0.000001
4 0.000037 0.000022 0.000022 0.000037 0.000002 0.000001
5 0.000025 0.000018 0.000015 0.000013 0.000002 0.000016
6 0.000022 0.000015 0.000013 0.000011 0.000001 0.000014
7 0.000015 0.000009 0.000009 0.000015 0.000001 0.000001
8 0.000057 0.000040 0.000034 0.000029 0.000003 0.000037
9 0.000016 0.000010 0.000010 0.000016 0.000001 0.000001
10 0.000037 0.000022 0.000022 0.000037 0.000002 0.000001
11 0.000045 0.000027 0.000027 0.000045 0.000003 0.000002
использование фильтров обратного осмоса.
На сегодняшний день на рынке широко представлен ассортимент импортных
ионообменных материалов, в основном это продукция компаний Rohm&Haas, Purolite, DowChemical, Bayer и др. (Информационные материалы...). Проведено сравнение физико-химических и эксплуатационных характеристик катионитов импортного производства с отечественными в рамках тестовых испытаний. Объектами исследования служили образцы промышленно выпускаемых сильнокислотных катионитов: Dowex HCR-S, Dowex Marathon C (компании DowChemical), 001x7Na FC (Китай), Purolite С100Е (компании Purolite, США), Lewatit S1567 (компании Bayer, Германия), а также КУ-2-8чС отечественного производства. Все перечисленные катиониты — продукты синтеза стирола и ДВБ, имеют гелевую структуру,
сульфокислотные функциональные группы и выпускаются в №+-форме, т.е. однотипны и аналогичны по физико-химическим свойствам. Рассматриваемые катиониты широко
применяются в процессах доочистки питьевой воды, в том числе в локальных установках малой и средней производительности. Результаты анализа фильтрата после пропускания через тестируемые катиониты показаны в таблице 5.
Анализ результатов испытаний показывает, что наиболее чистые из исследованных образцов — катиониты Dowex. Они характеризуются минимальным значением показателей, определяющих содержание примесей органики в катионите, и рН фильтрата ~7, что свидетельствует как о полноте перевода катионитов в Na+-форму, так и о высокой степени их отмывки от щелочи. Поэтому для проведения дальнейших исследований были выбраны катиониты фирмы
Таблица 4. Превышение приемлемого уровня канцерогенного риска потребления воды
после доочистки
Зона Brita Аквафор «Модерн» Водолей «Премиум» Гейзер WiseWater Osmos WaterMaker5
1 1.1 0.7 0.7 0.9 0.2 0.1
2 5.0 3.0 3.0 5.0 0.3 0.2
3 2.2 1.3 1.3 2.2 0.1 0.1
4 3.7 2.2 2.2 3.7 0.2 0.1
5 2.5 1.8 1.5 1.3 0.2 1.6
6 2.2 1.5 1.3 1.1 0.1 1.4
7 1.5 0.9 0.9 1.5 0.1 0.1
8 5.7 4.0 3.4 2.9 0.3 3.7
9 1.6 1.0 1.0 1.6 0.1 0.1
10 3.7 2.2 2.2 3.7 0.2 0.1
11 4.5 2.7 2.7 4.5 0.3 0.2
российский журннл лриклнлной экологии
Таблица 5. Сравнительная характеристика катионитов
Катионит рН Цветность, град. Окисляемость перманганатная, мгО2/л Запах при 20°С Запах при 60°С
Dowex HCR-S 7.7 3.8 1.0 отсутствует слабый
DowexMarathon C 7.5 2.5 0.9 отсутствует отсутствует
001x7Na FC 7.4 15.3 2.9 отсутствует отсутствует
Purolite С100Е 6.1 222.9 34.0 отсутствует слабый
Lewatit S1567 9.3 17.2 2.7 отсутствует слабый
КУ-2-8 6.6 122.3 52.1 сильный сильный
DowChemical и катионит КУ-2-8чС. Результаты определений динамических свойств катионитов, проведенные по стандартным методикам, представлены в таблице 6.
Результаты сравнительных исследований степени чистоты и физико-химических свойств импортных и отечественного ионообменных материалов показали, что оптимальными характеристиками отличаются катиониты производства компании DowChemical -DowexMarathon С и Dowex HCR-S. Однако их использование ограничено ввиду достаточно высокой стоимости. Поэтому для доочистки питьевых вод до требуемого качестванами предлагается использование более дешевой отечественной ионообменной смолы КУ-2-8чС. Проведенные сравнительные исследования катионита КУ-2-8чС и импортных катионитов Dowex HCR-S и DowexMarathon показали, что по таким характеристикам как полная статическая обменная емкость и динамическая обменная емкость отечественный катионит незначительно уступает аналогам. Так, его полная статическая обменная емкость ниже, чем у Dowex, на 3-14%. По динамической обменной емкости с заданным расходом регенерационного раствора катионит КУ-2-8чС уступает на 3-6%. Однако при этом рыночная стоимость КУ-2-8чС
ниже в 8-10 раз по сравнению с зарубежными аналогами.
Оценка эффективности катионита КУ-2-8чС для доочистки питьевых вод с высоким содержанием катионов свинца и хрома показала его эффективность в отношении в диапазоне значений 86-93% и снижение уровня канцерогенного риска до приемлемых значений. Таким образом, использование данного фильтроматериала для доочистки поступающих к потребителям питьевых вод эффективно для обеспечения приемлемого уровня канцерогенного риска здоровью детского населения на территории г. Казани.
Заключение
Предложенный подход к выбору фильтрующих систем на основании оценки их эффективности в сочетании с расчетом уровней канцерогенного риска здоровью детского населения позволяет обосновать более адекватные адресные рекомендации по доочистке в условиях полиметаллического загрязнения поступающих к потребителям питьевых вод на территории современного мегаполиса, а также требования по содержанию металлов в поверхностных водах, идущих на приготовление питьевых вод, как было показано нами ранее (Тунакова и др., 2017).
Таблица 6. Характеристики катионитов
Катионит Массовая доля влаги, % Удельный объем в Н+-форме, см3/г Полная статическая обменная емкость в Н+-форме, мг-экв/см3 Динамическая обменная емкость с заданным расходом регенерационного раствора, г-экв/м3 Осмотическая стабильность, %
Dowex HCR-S 55.3 <2.66 >1.93 >525 >98.5
DowexMarathon C 53.8 <2.53 >2.15 >534 >99.8
КУ-2-8чС 50.5 <2.5 >1.88 >503 >97.5
4/Ш7
37
Список литературы
1. Авалиани С.Л., Новиков С.М., Шашина Т.А., Скворцо-ва Н.С., Кислицын В.А., Мишина А.Л. Проблемы гармонизации нормативов загрязнений и пути их решения // Гигиена и санитария. 2012. №5. С. 5-8.
2. Быков А.А., Соленова Л.Г., Земляная Г.М., Фурмен В.Д. Методические рекомендации по анализу и управлению риском воздействия на здоровье населения вредных факторов окружающей среды. М.: Анкил, 1999. 72 с.
3. ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия.
4. ГОСТ Р 51871-2002. Устройства водоочистные. Общие требования к эффективности и методы ее определения.
5. Информационные материалы компании Bayer. Германия, https://www.bayer.ru (дата обращения: 15.03.2018).
6. Информационные материалы компании DowChemical. США, https://www.dow.com/en-us (дата обращения: 15.03.2018).
7. Информационные материалы компании Purolite. США, http://www.purolite.com/index (дата обращения: 15.03.2018).
8. Информационные материалы компании Rohm&Haas. США, http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/1/RH/index.html(дата обращения: 15.03.2018).
9. Кузнецова И.А., Фигурина Т.Я., Шадрина С.Ю. Пути обеспечения населения Вологодской области безопасной питьевой водой с использованием методологии оценки риска // Гигиена и санитария. 2011. № 1. С. 48-51.
10. Новиков С.М., Ревазова Ю.А., Розенталь В.М., Кор-сунская И.М., Зыкова И.Е., Хрипач Л.В., Скворцова Н.С., Князева Т.Д. Методологическая схема обследования городского населения с многоуровневыми оценками экспозиции загрязнителями атмосферного воздуха // Гигиена и санитария. 2007. №5. С. 65-67.
11. Окружающая среда. Оценка риска для здоровья. Опыт применения методологии оценки риска в России. М., Консультационный центр по оценке риска; Гарвардский институт международного развития; Агентство международного развития США, 1997. Вып. 1-6.
12. Рахманин Ю.А.,Доронина О.Д. Стратегические подходы управления рисками для снижения уязвимости человека вследствие изменения водного фактора // Гигиена и санитария. 2010. №2. С. 8-13.
13. Рахманин Ю.А., Новиков С.М., Шашина Т.А., Скворцова Н.С. Современные проблемы оценки рисков и ущербов здоровью от воздействия факторов окружающей среды // Гигиена и санитария. 2007. № 5. С. 18-20.
14. Рахманин Ю.А., Шашина Т.А., Унгуряну Т.Н., Новиков С.М., Скворцова Н.С., Мацюк А.В., Легостаева Т.Б., Антипанова Н.А. Характеристика количественных значений региональных факторов экспозиции на исследуемых территориях // Гигиена и санитария. 2012. №6. С. 30-33.
15. Ревич Б.А.Двалиани С.Л., Тихонова Г.И. Экологическая эпидемиология. Учебник для высш. учеб.завед. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 384 c.
16. P 2.1.10.1920-04. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. М., 2004.
17. Тунакова Ю.А., Галимова А.Р. Оценка риска потребления водопроводной питьевой воды по зонам в г. Казани установленного катионного состава // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, №14. С. 347-351.
18. Тунакова Ю.А., Галимова А.Р., Валиев В.С. Разработка адекватных адресных рекомендаций по доочистке питье-
вых вод с целью достижения приемлемого уровня риска здоровью детского населения // Хартия Земли - практический инструмент решения фундаментальных проблем устойчивого развития / Сб. материалов Междунар. научно-практ.конф. Казань: Татарское кн. изд-во, 2016 (а). С. 374-378.
19. Тунакова Ю.А., Галимова А.Р., Новикова С.В., Валиев В.С., Сафарова В.И. Разработка подходов для доочистки питьевых вод мегаполиса (на примере г. Казани) // Вода: химия и экология. 2016 (б). №12. С. 10-16.
20. Тунакова Ю.А., Галимова А.Р., Шмакова Ю.А. Качество питьевой воды, доходящей до потребителей г. Казани при водоподготовке с флокулянтомполиакриламидом // Водоочистка. 2016 (в). № 6. С. 45-50.
21. Тунакова Ю.А., Новикова С.В., Галимова А.Р. Зонирование территории г. Казани методами кластерного анализа в зависимости от качества потребляемых питьевых вод и адресные рекомендации по ее доочистке // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 14. С. 406-408.
22. Тунакова Ю.А., Новикова С.В., Файзуллин Р.И., Габдрахманова Г.Н., Кузнецова О.Н. Определение безопасных для человека концентраций катионов металлов в поверхностных источниках питьевого водоснабжения на примере г. Казани // Вестник Казанского технологического университета. 2017. Т. 20. № 8. С. 115-119.
23. Тунакова Ю.А., Степанова Н.В., Файзуллин Р.И., Валиев В.С., Галимова А.Р. Оценка риска здоровья для детского населения при потреблении питьевой водопроводной воды // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 6; URL: http://www.science-education.ru/130-23767 (дата обращения: 15.03.2018).
24. Тунакова Ю.А., Файзуллин Р.И., Валиев В.С. , Галимова А.Р. Оценка риска здоровью детского населения при потреблении водопроводной воды с учетом ее вторичного загрязнения // Гигиена и санитария. 2015. №8. С. 72-76.
25. Якубаускас А.Н. Критерии оценки качества бытовых водоочистных устройств по российскому и зарубежным стандартам // Стандарты и качество.2012. №6. С. 39.
26. Tunakova J., Galimova A., Fajzullin R., Valiev V. Assessment of health risks of the child population in the consumption of drinking water, taking into account secondary pollution on the example of Kazan// Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. V. 7, Iss. 1.Р. 1114-1117.
A.R. Galimova, Y.A. Tunakova, S.V. Novikova, V.S. Valiev, R.R. Shagidullin. Valuation of the effectiveness of filters and filtration materials for the purification of drinking water on the territory of Kazan city.
The results of studies of the efficiency of household filters presented on the consumer market for the purification of metal cations are given.A study of the comparative characteristics of cations used as filter materials was made.The risk to the health of the children of Kazan from the consumption of water after purification is estimated.
Keywords: drinking water; metals; risk to health; purification; household filters; filtration materials.
38
российский журннл ориклний экологии
