CC BY-ND
78
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПОВ ВОДОПРОВОДНЫХ ТРУБ
И РЕЖИМОВ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
А.Е. Мысякин, В.В. Королик
PROBLEMS OF PROVISION OF QUALITATIVE COMPOSITION OF POTABLE WATER DEPENDING ON TYPES OF WATER-SUPPLY LINES AND MODES OF WATER CONSUMPTION
А.Е Mysyakin, V.V. Korolik
Российский Государственный Медицинский Университет им. Н.И. Пирогова, Кафедра гигиены и основ экологии человека
В результате двух экспериментов удалось определить материал, наименее обеспечивающий качественной питьевой водой, соответствующей СанПиН 2.1.4.1074— 01. Был выявлен механизм ухудшения качества воды, подаваемой потребителю в зависимости от режима водопользования. Установлено, что кратковременные остановки протока воды приводили к снижению содержания кислорода в воде, что приводит к увеличению численности различных групп железо- и марганец-редуцирующих бактерий, а также к усилению бактериальной редукции оксидов. Последнее сопровождалось растворением тяжелых металлов и приводило к вторичному загрязнению воды.
As a result of two experiments it was possible to identify a material least providing quality of potable water, corresponding the sanitary regulations. The mechanism of deterioration of the water, submitted to the consumer, depending on a water use mode has been revealed. It is established that short-term stops of water flow led the decrease the maintenance of oxygen in water. That has led the increase in number of Fe — and Mn-reduction bacteria and in a bacterial oxides reduction. Last was accompanied by the dissolution of heavy metals, which led to recurring pollution of water.
Задачи обеспечения населения качественной питьевой водой всегда были одними из важнейших для гигиенической науки и практики. В настоящее время большую озабоченность вызывают проблемы различных этапов питьевого водоснабжения, в т. ч. изменение качества питьевой воды в водоразводящих системах при централизованном водоснабжении. Не до конца разрешенной остается задача получения непосредственно потребителем питьевой воды, полностью отвечающей всем санитарно-гигиеническим требованиям по химическим, микробиологическим и органо-лептическим показателям [1].
Изучение доступной иностранной и отечественной литературы показало, что у ученых не вызывает сомнений негативное воздействие ряда микроорганизмов на техническое состояние водопроводных труб, что в свою очередь приводит к ухудшению качества питьевой воды. В нашей стране и за рубежом ученые уделяли основное внимание процессам коррозии низколегированной углеродистой стали типа 3, из которой изготовлено большинство водопроводных труб [2]. Однако такие материалы, как оцинкованное железо, медь и пластик были оставлены без внимания, несмотря на то, что из них тоже изготавливаются водопро-
водные трубы для питьевого водоснабжения [3]. Многие данные, представляемые авторами по проблеме биокоррозии металлических и неметаллических материалов, зачастую достаточно противоречивы и немногочисленны. Кроме того, в доступной литературе практически отсутствуют данные о влиянии санитарно значимых микроорганизмов на микробиологические и органолептические характеристики питьевой воды в зависимости от режима водопользования.
В условиях интенсивного техногенного загрязнения окружающей среды используемые способы очистки питьевой воды, основанные на применении сильных окислителей, коагулянтов и фильтров, не всегда эффективны из-за высокого содержания в воде загрязняющих веществ, в т. ч. железа и других тяжелых металлов [4].
Цель настоящей работы — изучение микроорганизмов, обитающих в питьевой воде, взаимодействие этих микроорганизмов с металлическими и неметаллическими материалами труб, а также выявление механизмов ухудшения качества питьевой воды при застое в водоразводящих сетях.
Материалы и методы. Решение поставленных задач осуществлялось на двух экспериментальных установках.
Первая установка представляет собой систему водопроводных труб из стали, оцинкованного железа, металлопластика и меди. Трубы имеют длину 1 метр, установлены параллельно друг другу и имеют общий вход воды. На каждой трубе установлен счетчик. Установка работала в разных режимах: вода включалась утром и выключалась вечером. Также экспериментировался застой: установка не включалась в течение 1 месяца.
Осуществлялся сантарно-микробиологи-ческий и химический контроль качества воды. Отбор проб производился во время тока воды, после простоя в выходные дни, а также после простоя в течение месяца, т. е. моделировался естественный режим водопользования населением.
Микробиологический анализ проводился согласно СанПиН 2.1.4.1074—01 и методическим указаниям МУК 4.2.1018—01. Определялись микробиологические показатели, показатели безвредности по химическому составу и органолептические показатели.
Вторая установка (далее — биореактор) была изготовлена для изучения механизмов ухудшения качества питьевой воды при застое воды в трубах. Целью было выяснение функциональной активности процессов микробиологического осаждения растворимых соединений железа, марганца и ряда других тяжелых металлов из питьевой воды и оптимизация условий, благоприятствующих протеканию этих процессов.
Биореактор представлял стеклянную колонку объемом 2,5 л (высота 30 см и диаме-тор 10,5 см). Колонка была заполнена на 1/3 объема песком, отобранным из песчаных фильтров городской станции очистки питьевой воды, содержащим природный биоценоз железо- и марганецокисляющих бактерий. Оставшийся объем заполняли сначала крупным, а затем мелкозернистым песком, последовательно отмытым в 1%-ной соляной кислоте и дистиллированной воде. В песок погружали предметные стекла для микроскопического анализа обрастаний.
Через колонку осуществляли проток воды из резервуара, периодически заполняемого водопроводной водой из московской городской сети питьевого водоснабжения Отбор проб воды для анализа содержания металлов проводили на входе и выходе из биореактора.
Для количественного учета различных физиологических групп микроорганизмов геохимического цикла железа и марганца в воде
и песчаном фильтре установки использовали метод предельных десятикратных разведений. Для сульфатредуцирующих бактерий использовали среду Видделя с лактатом натрия и добавлением ацетата натрия (0,5 г/л), для анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий, обладающих респираторным типом метаболизма и использующих Fe(OH)3 или Мп02 в качестве акцепторов электронов, — среду Миерса и Нильсена, для железо- и мар-ганецредуцирующих бактерий бродильным типом метаболизма — среду Бромфильда.
Количественное определение различных форм железа и марганца в водной фазе на выходе и входе биореактора проводили колориметрическими методами на спектрофотометре СФ КФК-3. Содержание растворимого в воде кислорода определяли модифицированным микрометодом Винклера. Количественное определение других тяжелых металлов (А1, Сг, 2п, Со, Си, РЬ, Сё) в водных пробах проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии.
Определение металлов в соскобах погруженных в колонку стекол и в обрастаниях песчаной фракции биореактора проводились методом рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором.
Результаты исследования и их обсуждение. Результаты эксперимента на первой установке показали, что для всех четырех труб характерно повышение показателей общего микробного числа, цветности, мутности, общей жесткости и концентрации железа. Средняя концентрация железа в зависимости от типа трубы увеличивалась в следующем порядке: оцинкованная — 0,53 мг\л, медная — 1,44 мг\л, пластиковая — 2,31 мг/л, стальная — 3,48 мг/л (при норме 0,3 мг/л). Достоверные различия в результатах — р < 0,05. Очевидно, что в трубах из стали 3 и оцинкованного железа такое превышение ПДК свидетельствует об активных процессах электрохимической и микробной коррозии. Но концентрация железа в воде оказалась выше в трубах, изготовленных из меди и металлопластика, в состав которых железо не входит. Это говорит об активной колонизации внутренней поверхности трубы железобактериями, фиксирующими железо, что и привело к ухудшению органолептических показателей качества исследуемой воды (цветность более 20°, мутность — более 1,5 мг/л, металлический привкус). Железобактерии-гетеротрофы в больших количествах высевались из всех образцов воды, но в большей степени из труб, из-
готовленных из стали и металлопластика (104 и 105 микроорганизмов в 1 мл исследуемой воды соответственно). Такие высокие показатели содержания железобактерий гетеротрофов закономерны для стальной трубы как активного донора железа. Пластиковая же труба обладает рядом свойств, благоприятствующих размножению бактерий: отсутствие в своем составе бактериостатических веществ, в отличие от медной и оцинкованной трубы, а также пористость внутренней стенки пластиковой трубы, что обеспечивает высокую адгезию микроорганизмов. Наименьшее количество железобактерий высевалось из оцинкованной трубы, благодаря ее бактериостатическим свойствам.
Таким образом, жизнедеятельность железобактерий является неблагоприятной для питьевого водоснабжения, т. к. повышенная концентрация железа отражается не только на органолептических свойствах воды, но также может привести к заболеваниям кожи, иммунным патологиям и заболеваниям желудочно-кишечного тракта [5]. Несмотря на дешевизну и повсеместное применение труб из металло-пластика, эти трубы не обеспечивают должного качества питьевой воды.
Эксперимент на биореакторе выявил, что после полутора недель с момента пуска протока водопроводной воды, в которую были внесены растворимые соединения железа и марганца (комплексорганические соединения лимоннокислого аммонийного Fe(II) и сернокислый марганец), было отмечено обильное осаждение оксидов металлов в отмытом песке песчаного фильтра и на погруженных предметных стеклах. Используя микроскопический анализ и цитохимические методы окраски Fe (III) и Мп02 бактериальных обрастаниях на стеклах, экспонированных в песчаном фильтре, была показана локализация оксидов преимущественно на поверхности бактериальных клеток. В составе биоценозов доминировали железобактерии, морфологически сходные с представителями родов 81ёегоеар8а, Leptothгix, реже — Ga11ione11a и HyphomiегoЬium. Численность одноклеточных железобактерий, учтенных методом посева образцов на среду Тилера, составляла 3—5 • 105 клеток в смывах свежео-сажденных оксидов с 1 см3 песка из верхнего слоя колонки реактора.
В пределах исходных концентраций Мп(П) 3,3—4,6 мг/л химического окисления марганца в контрольных вариантах за период наблюдений в течение 9 суток не происходило. В опытном реакторе за счет природной ассоциации
бактерий осаждение новообразованных оксидов Мп привело к снижению концентрации растворимого марганца ниже величин предельно допустимых концентраций. На основании этого можно сделать вывод, что интенсивность процессов очистки питьевой воды от тяжелых металлов должна быть направлена на оптимизацию условий окислительной деятельности железоокисляющих бактерий.
В ходе экспериментов в течение 45 суток было показано, что прохождение воды через песчаный фильтр со скоростью 1,3—3,0 мл/см3 в сутки (что соответствовало нагрузке 130— 310 мл/ч на объем колонки) сопровождалась практически полным осаждением металлов и снижением их содержания до величин ПДК и ниже. Увеличение концентрации железа и марганца от 1 мг/л до 2—3 мг/л не приводило к повышению концентрации в воде на выходе из колонки. Однако, кратковременные остановки протока (2 или 11 ч) сопровождались резким переходом металлов в раствор из осажденных на песчаном фильтре оксидов и резкому повышению их концентрации в воде. Последнее коррелировало со снижением концентрации растворенного кислорода воде и созданием микроаэробных или анаэробных условий в песчаном фильтре. Последующее возрастание скорости удаления металлов из воды вновь до норм ПДК при увеличении скорости протока воды вдвое было обусловлено оптимизацией кислородного режима и окислительной активности аэробных микроорганизмов в песчаном фильтре. Особого внимания заслуживают приведенные ниже результаты по влиянию кислородного режима на поведение металлов в биореакторе.
При работе биореактора в переменном режиме с периодической остановкой протока воды на 1—2 суток и даже несколько часов, снижение кислорода в проточной воде на выходе из колонки приводило к активизации бактериальных восстановительных процессов, переходу нерастворимых оксидов железа и марганца в раствор и вторичному загрязнению воды двухвалентными соединениями металлов. Численность анаэробных железо- и марганецвосстанавливающих бактерий различных физиологических групп, учитываемых на элективных питательных средах, за кратковременные сроки прекращения протока воды возрастала на три порядка, составляя в среднем 105 клеток в 1 г песка.
Представленные выше результаты экспериментов по влиянию временных остановок
в подаче воды на песчаные фильтры биореактора свидетельствуют о важности строгого соблюдения кислородного режима функционирования песчаных фильтров водоочистных сооружений городского водоснабжения.
Для оценки роли микроорганизмов в удалении, помимо Fe и Мп, других тяжелых металлов были проведены следующие исследования. Наряду с железом и марганцем в резервуар, из которого проступала вода на песчаный фильтр, вносили соединения хрома, ванадия, никеля, кадмия, свинца, алюминия и цинка в виде растворов солей. Были использованы растворы следующих солей тяжелых металлов: СгС13 ■ 6Н20, C14H24N10NiS2 ■ 10Н20, Сё(СН3СОО) ■ 2Н20, СОС12 ■ 6Н20, РЬ(Щ,)2, A12(SO4)3 ■ 18Н20 и ZnSO4 ■ 7Н20. Как показали результаты анализов, полученные с использованием методов атомно-абсорбционной спектроскопии и микрозондового рентгено-спектрального анализа, наряду с железом и марганцем на песчаном фильтре происходило осаждение из воды растворимых соединений тяжелых металлов. При исходной концентрации различных металлов от 1 до 10 мг/л в поступающей на фильтр воде на выходе из биореактора через несколько суток работы биореактора их содержание снижалось ниже норм ПДК. Метод микрозондового рентгеноспек-трального анализа показал, что накопление этих элементов происходило, по-видимому, за счет сорбционных процессов на поверхности и вокруг бактериальных клеток железобактерий в чехлах, капсулах и в свежеосажденных оксидах железа и марганца. Согласно результатам анализов с использованием метода атомно-абсорбционной спектроскопии осаждение тяжелых металлов количественно убывало в следующей последовательности: А1 > Сг > Z п > Zn > Со > Си > Сё > РЬ. Сопоставление спектров металлов, полученных методом ми-крозондового рентгеноспектрального анализа, снятых с различных клеток и бактериальных микроколоний, на которых происходило осаждении металлов, показало, что качественный и количественный состав накопленных металлов может значительно варьировать.
В итоге удалось определить материал, который в наименьшей степени обеспечивает качественной питьевой водой, соответствующей СанПиН 2.1.4.1074—01. Был выявлен механизм ухудшения качества воды, подаваемой потребителю, в зависимости от режима водопользования, а также определены условия, благоприятствующие более активному микро-
биологическому осаждению солей ряда тяжелых металлов.
Выводы. Качество питьевой воды в режиме непрерывного пользования соответствовало требованиям СанПиН 2.1.4.1074—01 и не зависело от типа труб.
После перерыва в водопользовании (от 8 ч до 2 месяцев) существенно ухудшались органо-лептические показатели качества воды. Возрастали значения цветности, мутности, привкуса. Остановка тока питьевой воды способствовала снижению концентрации кислорода в водной фазе и активизации анаэробных восстановительных процессов, что приводило к переходу в раствор ионов железа и марганца.
Худшими качествами обладала питьевая вода в дискретных режимах водопользования в водоразводящей системе из стальных труб.
Несмотря на дешевизну и повсеместное применение труб из металлопластика, эти трубы не обеспечивают должного качества питьевой воды в прерывистом режиме водопользования по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям.
Песчаные биофильтры при правильном режиме эксплуатации способны интенсивно удалять растворимые соединения железа, марганца и других тяжелых металлов из воды за счет микробиологических окислительных и сорбционных процессов.
Совершенствование работы существующих и разрабатываемых способов водоочистки городского водоснабжения возможно путем оптимизации кислородного режима работы биофильтров и строгий контроль над его соблюдением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2005 году: Государственный доклад. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 287 с.
2. Lopez F.A., Perrin S., Feron D. //A dual-electrochemical cell to study the biocorrosion of stainless steel. Water Science Technology, 2007. 55 (8-9) Р. 499-504.
3. Lopez F.A., Morlin P., Oliviera R., Melo L. //Interactions of Desulfovibrio desulfuricans biofilms with stainless steel surface and its impact on bacterial metabolism. Journal of Applied. Microbiology, 2006. Р. 57. 434—437.
4. Дубинина Г.А., Грабович М.Ю., Чурикова В.В., Епринцев А.Е., Чуриков С.Н. Исследование микробиологической трансформации Mn и Fe в поверхностных и грун-
товых водах водозаборных зон //Водные ресурсы, 1999. Т. 26. № 4. С. 484—488.
5. Тулакин А.В. Некоторые современные проблемы обеспечения гигиенической надежности питьевого водопользования.
Здоровье как гигиеническая проблема. // Очерки учеников академика РАМН, профессора, заслуженного деятеля науки России А.И. Потапова. Таганрог. «Лукоморье», 2006. С. 286—299.
