Гигиеническая оценка качественного состава питьевой воды при централизованном водоснабжении в зависимости от типов водопроводных труб и режимов водопользования 14. 02. 01 Гигиена

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель исследования Задачи исследования Научная новизна Практическая значимость Внедрение результатов исследования Объём и структура работы Личный вклад автора Содержание работы В первой части Во второй части Экспериментальная установка из водопроводных труб, изготовленных из различных материалов Экспериментальная установка для изучения механизма изменения качества питьевой воды В седьмой главе В восьмой главе Практические рекомендации Список работ, опубликованных по теме диссертации

Подобный материал:

• Урок. Тема. Вода. Качество питьевой воды. Очистка воды, 49.25kb.
• Признак или комплекс признаков, по которым производится оценка качества воды (гост, 434.22kb.
• Стеклопластиковые трубы Основные характеристики стеклопластиковых труб мирового производства , 424.46kb.
• Гигиеническая оценка здоровья и условий пребывания детей и подростков с девиантными, 395.76kb.
• Взаимосвязь химического состава питьевой воды и элементного статуса студентов северного, 65.03kb.
• Исследование рынка питьевой воды, 89.24kb.
• Окружающая среда роль питьевой воды в обеспечении организма человека микроэлементами, 127.36kb.
• Комплексная эколого-гигиеническая оценка изменений состава среды как фактора риска, 1067.36kb.
• Санитарно-гигиеническая оценка антропогенного загрязнения малых рек саратовской области, 402.67kb.
• Исследовательская работа по экологии оценка качества питьевой воды, 288.17kb.

На правах рукописи


Мысякин Александр Евгеньевич


ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА

ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ПРИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ ВОДОСНАБЖЕНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПОВ ВОДОПРОВОДНЫХ ТРУБ И РЕЖИМОВ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ


14.02.01 Гигиена


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата медицинских наук


Москва - 2010


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»


Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Королик Виктор Вячеславович


Официальные оппоненты:

академик РАМН, доктор медицинских

наук, профессор Русаков Николай Васильевич


доктор медицинских наук, профессор Лакшин Андрей Михайлович


Ведущая организация: Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.


Защита состоится « 7 » июня 2010 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 208.072.06 при ГОУ ВПО РГМУ Росздрава по адресу: 117997, г. Москва, ул. Островитянова, д. 1.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО РГМУ Росздрава по адресу: 117997, г. Москва, ул. Островитянова, д. 1

Автореферат разослан « 4 » мая 2010 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

доктор медицинских наук, профессор Полунин В. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой всегда были приоритетными для гигиенической науки и практики. В настоящее время большую озабоченность вызывают проблемы различных этапов питьевого водоснабжения, в том числе негативные изменения качества питьевой воды в водоразводящих системах при централизованном водоснабжении. Остается не до конца разрешенной задача получения непосредственно потребителем питьевой воды, полностью отвечающей всем санитарно-гигиеническим требованиям по химическим, микробиологическим и органолептическим показателям [Г.Г. Онищенко, 2009]. В 2008 году в среднем по Российской Федерации 16,9% проб воды из водопроводной сети не соответствовало требованиям по санитарно-химическим и 5,3% – по микробиологическим показателям [О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2008 году. Государственный доклад. 2009].

Потребление недоброкачественной питьевой воды приводит к росту заболеваний как инфекционной, так и неинфекционной природы, связанной с химическим составом воды [Е.Н Беляев, 2002, Л.Г. Подунова, 1996, Ю.А. Рахманин, 2001, А.В. Тулакин, 2006]. Нарушение приведенных качеств питьевой воды наблюдается при неблагополучном состоянии поверхностных водоисточников, низкой эффективности водоподготовки, а также неудовлетворительном состоянии внутренней поверхности труб водоразводящих систем [Г.Г Онищенко, 2009].

Ухудшение качества питьевой воды после выхода с очистных сооружений может быть тесно связано с процессами жизнедеятельности микроорганизмов в водопроводных трубах водоразводящих систем.

Работы по изучению взаимодействия микроорганизмов с внутренней поверхностью водопроводных труб ведутся уже давно, и в настоящее время у ученых не вызывает сомнений негативное воздействие ряда микроорганизмов на техническое состояние водопроводных труб, что в свою очередь, приводит к ухудшению качества питьевой воды. Как в нашей стране, так и за рубежом, в основном изучались процессы коррозии низколегированной углеродистой стали [Е.П. Розанова, 1999, Г.А. Дубинина, 2003, J. Kielemoes, 2002]. Однако такие материалы, как оцинкованное железо, медь и металлопластик также требуют повышенного внимания, так как они находят широкое применение в изготовлении водопроводных труб.

Изучение процессов жизнедеятельности ряда водных микроорганизмов на внутренней поверхности водопроводных труб и их влияние на качество питьевой воды требует большего внимания. В этих процессах важную роль может играть сообщество железобактерий. Считалось, что происхождение оксидов железа, образующихся на поверхности стали – это следствие электрохимических процессов коррозии стали. Однако в настоящее время установлено, что ряд окислов железа и марганца образуется в культурах железобактерий [Е.П. Розанова, 1999, Г.А. Дубинина, 2003, А.В. Пиневич, 2005]. Железобактерии окисляют соединения этих металлов и осаждают их на внутренней поверхности водопроводных труб. При протоке воды на образовавшихся окислах железа и марганца могут адсорбироваться соединения тяжелых металлов. При остановке протока воды, снижается концентрация растворенного кислорода, что может привести к активации восстановительных процессов и вторичному загрязнению питьевой воды ранее осажденными на внутренней стенке трубы соединениями. Это может негативно отразиться на органолептических, химических и микробиологических свойствах питьевой воды. В настоящее время проблема обеспечения качественного состава питьевой воды, в зависимости от типов водопроводных труб и режимов водопользования является актуальной и не достаточно изученной. Это определило цель и задачи исследования.


Цель исследования

Изучить качество питьевой воды при централизованном водоснабжении, подаваемой по трубам, выполненным из различных материалов, при различных режимах водопользования.

Задачи исследования

1. Разработать и изготовить экспериментальную установку конечного участка водопроводной сети из труб, выполненных из наиболее используемых материалов.
   
2. Изучить качество питьевой воды, протекающей в различных типах водопроводных труб по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям в различных режимах водопользования.
   
3. Провести количественное изучение приоритетных групп микроорганизмов, оказывающих негативное действие на качество питьевой воды, транспортируемой в водопроводных трубах из различных материалов.
   
4. Определить тип водопроводной трубы, наиболее и наименее обеспечивающей гигиеническую надежность питьевой воды.
   
5. Исследовать механизм изменения качества питьевой воды в условиях переменного режима водопользования.
   

Научная новизна

Впервые проведено комплексное исследование изменения качества питьевой воды при централизованном водоснабжении в зависимости от типа водопроводных труб. Установлены изменения качества питьевой воды в зависимости от режима водопользования в различных типах водопроводных труб по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям. Исследован механизм увеличения в питьевой воде концентраций соединений железа, марганца и тяжелых металлов.

Практическая значимость

Получены новые научные результаты, которые позволяют обосновать с санитарно-гигиенической позиции использование оптимальных видов труб водоразводящих систем. Результаты исследования показали, что один из способов оптимизации процессов удаления металлов из питьевой воды состоит в создании и поддержании благоприятного для бактериальных окислительных процессов кислородного режима аэрации и, что особенно важно, в предотвращении застойных явлений на песчаных фильтрах. Практическое использование полученных результатов будет служить обеспечению лучшего качества питьевой воды и сохранению здоровья населения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Качество питьевой воды в режиме непрерывного пользования соответствует требованиям СанПиН 2.1.4. 1074-01 и не зависит от типов труб.
   
2. После перерыва в водопользовании существенно ухудшаются некоторые органолептические показатели, а также показатели безвредности по химическому и микробиологическому составу. Возрастают значения цветности, мутности, привкуса, концентрации железа и марганца, а также общего микробного числа за счет железо- и марганецокисляющих бактерий.
   
3. Лучшим качеством обладала питьевая вода в изученных режимах водопользования в водоразводящей системе из оцинкованной трубы, худшим – из стальной трубы.
   
4. Трубы из металлопластика и меди не обеспечивают должного качества питьевой воды в прерывистом режиме водопользования по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям.
   
5. Механизм значительного увеличения концентрации соединений железа и марганца в питьевой воде в переменном режиме водопользования заключается в дефиците растворенного кислорода, что приводит к активации восстановительных процессов бактерий циклов железа и марганца.
   
6. Одним из направлений совершенствования работы существующих и разрабатываемых способов водоочистки при централизованном водоснабжении является оптимизация кислородного режима работы биофильтров.
   

Внедрение результатов исследования

Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе со студентами на кафедре гигиены и основ экологии человека ГОУ ВПО РГМУ Росздрава, на кафедре микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на кафедре биохимии и физиологии клетки ГОУ ВПО ВГУ Федерального агентства по образованию. Там же, а также в ИНМИ РАН материалы исследования используются при разработке биологических методов очистки питьевой воды.

Апробация

Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на совместной научно-практической конференции кафедры гигиены и основ экологии человека и отдела экологии и токсикологии НИИ ФПБМИ ГОУ ВПО РГМУ Росздрава 28.01.2010 г.

Материалы исследования доложены и обсуждены на:

1. Межвузовской научно-практической конференции, посвященной 125-летию кафедры общей гигиены ММА им. И.М. Сеченова «История становления и развития отечественной гигиенической науки и практики» 6 ноября 2009 г.

2. Пленуме Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ на базе НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им А.Н. Сысина РАМН по теме: «Методологические проблемы изучения, оценки и регламентирования биологических факторов в гигиене окружающей среды», посвященном 65-летию Российской академии медицинских наук и 130-летию со дня рождения А.Н. Сысина 17.12.2009 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 2 статьи в журналах, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ.


Объём и структура работы

Диссертационная работа изложена на 121 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав обзора литературы, описания методов исследования, двух глав собственных исследований, заключения, практических рекомендаций и выводов. Список литературы включает 121 работу отечественных и 57 работ зарубежных авторов. Материал диссертации иллюстрирован 24 таблицами, 5 рисунками, включает 2 приложения.

Личный вклад автора

Вклад автора в организацию и проведение исследования – 80%. Анализ и обобщение результатов выполнен лично автором в полном объеме.


Выражаю глубокую благодарность академику РАМН, доктору медицинских наук, профессору Пивоварову Ю.П., а также доктору биологических наук, профессору Дубининой Г.А. за консультативную помощь при выполнении настоящей работы.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы исследования, цель, задачи, обоснование научной новизны и научно-практической значимости, данные об апробации и внедрении в практику полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой части в пяти главах представлен обзор отечественной и зарубежной литературы. Проанализированы данные о влиянии качества питьевой воды на здоровье человека, современное состояние качества питьевого водоснабжения в Российской Федерации, роли ряда микроорганизмов в формировании качества питьевой воды, о санитарно-гигиеническом значении биопленок, образующихся в водопроводных трубах, а также о значении водоподготовки и транспортировки воды в обеспечении населения качественной питьевой водой.

Во второй части представлены собственные исследования.

В шестой главе представлены материалы и методы исследования.

Работа проводилась в течение 2007 - 2009 гг. в ГОУ ВПО РГМУ Росздрава им. Н.И. Пирогова на базе кафедры гигиены и основ экологии человека, в лаборатории экологии и геохимической деятельности микроорганизмов Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, а также в лаборатории физико-химических исследований ФГУЗ ФЦГиЭ Роспотребнадзора в рамках нескольких направлений (таблица).

Таблица. Направления и объем исследований

№	Направление исследований	Объем
1.	Изучение качества питьевой воды в режиме непрерывного тока в трубах четырех материалов. Пробы отбирались 1 раз в месяц.	264 пробы
2.	Изучение качества питьевой воды в режиме прерывистого тока воды (остановка протока ночью и в выходные дни). Пробы отбирались 1 раз в неделю.	8448 проб
3.	Изучение качества питьевой воды после остановки тока воды на 30 суток. Пробы отбирались 1 раз в конце месяца.	264 пробы
4.	Изучение механизма изменения качества питьевой воды в условиях постоянного и переменного тока воды. Пробы отбирались на 4, 6, 9, 14, 17, 18, 21, 25, 30, 31, 34, 37, 40, 44, 45-е сутки эксперимента.	844 пробы

Экспериментальная установка из водопроводных труб, изготовленных из различных материалов

Для изучения качества питьевой воды, протекающей в различных типах водопроводных труб, нами была разработана и собрана экспериментальная установка, представляющая собой систему из параллельно установленных четырех труб, имеющих общий вход воды. Использовались трубы из стали марки 3 (диаметр - ¾ дюйма, соответствует ГОСТ 3262-75), оцинкованного железа (диаметр - ¾ дюйма, соответствует ГОСТ 3262-75), меди (диаметр - ½ дюйма, соответствует ГОСТ 617-90) и металлопластика (диаметром ¾ дюйма, соответствует ТУ 2248-001-0762-9379-96). Все трубы имели длину 1 м. В начале и в конце каждой трубы вмонтированы запирающие краны. В начале каждой трубы установлен счетчик воды СВК 15-2. (рис. 1).

Ток воды осуществлялся в непрерывном режиме, в прерывистом с остановкой протока в выходные дни, а также с полной остановкой на 30 суток.

Контроль качества исследуемой воды проводили путем изучения ее органолептических, химических и микробиологических показателей до и после выхода из установки и осуществляли согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 и методическим указаниям МУК 4.2.1018-01.


Рисунок 1.

Схема экспериментальной установки.

1 – труба из стали;

2 - труба из оцинкованного железа;

3 – труба из меди;

4 – труба из пластика;

5 – счетчик воды;

6 – запирающий кран.


Определение общего числа микроорганизмов осуществляли путем посева проб воды на полужидкий питательный агар.

Определение числа колиформных бактерий осуществляли методом мембранной фильтрации с последующим помещением фильтров на среду Эндо. Для определения общих и термотолерантных колиформных бактерий использовали лактозо-пептонную среду. Выполняли оксидазный тест.

Определение спор сульфитредуцирующих бактерий осуществляли путем посева проб воды на железосульфитный агар. Использовали метод мембранных фильтров.

Определение колифагов проводили с использованием взвеси E. coli K₁₂ F⁺ в концентрации 10⁹ бактериальных клеток в 1 мл.

Определение сульфатредуцирующих бактерий проводили путем посева исследуемой воды на среду Видделя. Состав среды: NH₄Cl – 0.3 г/л, CaCl₂ ∙ 2H₂O – 0.11 г/л, MgCl₂ ∙ 6H₂O – 0.2 г/л, KCl – 0.3 г/л, Na₂SO₄ – 2.8 г/л, FeSO₄ – 5 мл 10% р-ра, ацетат Na – 0.2 г/л, лактат Na – 0.5 г/л.

Определение железо- и марганецокисляющих бактерий проводили путем посева проб воды на среду Тилера. Состав среды: дрожжевой экстракт – 0.02 г/л, лимоннокислое железо закисное – 0.002 г/л, агар Дифко – 15 г/л, MnSO₄ ∙ 5H₂0 – 0.02 г/л, вода дистиллированная стерилизованная – 1 л.

Определение железо- и марганецредуцирующих бактерий проводили путем посева на среду Бромфильда. Состав: KH₂PO₄ 0,5 г, MgSO₄·7H₂O 0,2 г, (NH₄)₂SO₄ 1 г, CaCO₃ 5 г, дрожжевой экстракт 0,3 г, сахароза 10 г, агар 20 г, вода дистиллированная 1 л.

Определение железобактерий-литотрофов проводили путем посева на среду следующего состава: (NH₄)₂SO₄ – 0.2 г/л, CaCl₂ – 0.05 г/л, MgSO₄ – 0.1 г/л, NaHCO₃ – 0.2 г/л, H₂SO₄ – до рН 7.2-7.4, Hepes – 3 г/л, FeS – по каплям до темно–серого цвета. Фосфатный буфер – 0.05 г/л, агар 0.5% - 5 г/л, ацетат – 0.2 г/л.

Запах и вкус определялись согласно ГОСТ 3351-74. Характер запаха воды определяли ощущением воспринимаемого запаха при 20 и 60 °C.

Цветность и мутность определяли согласно ГОСТ 3351-74 методом фотоэлектроколориметрии нативной воды на фотоэлектроколориметре КФК-56м. Цветность определяли с синим фильтром с длинной волны 412 нм. Мутность определяли с зеленым светофильтром с длинной волны 530 нм.

рН нативной воды определяли согласно ПНД Ф 14.1:3:4.121-97с помощью рН-метра Эксперт 001 ТУ 4215-001-5-27222949-00.

Осадок оценивали визуально.

Окисляемость определяли согласно указаниям к ГОСТ 2761-84 методом окисления перманганатом калия.

Нитриты, содержащиеся в нативной воде, определяли согласно ГОСТ 4192-82 методом фотоколориметрии с реактивом Грисса на фотоэлектроколориметре КФК-56м с длиной волны 520 нм.

Общая жесткость нативной воды определялась согласно ГОСТ Р 52407-2005 методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе PERKIN ELMER 403 с использованием пламени воздух–ацетилен.

Сульфаты определяли согласно ПНД Ф 14.2:4.176-00 (издание 2007 г.) «МВИ анионов (нитратов, сульфатов, бромидов, хлоридов и йодидов) в питьевых, природных водах» методом ионной хроматографии с использованием ионного хроматографа Dionex ICS-2100.

Нитраты определяли согласно ПНД Ф 14.2:4.176-00 (издание 2007 г.) «МВИ анионов (нитратов, сульфатов, бромидов, хлоридов и йодидов) в питьевых, природных водах» методом ионной хроматографии с использованием ионного хроматографа Dionex ICS-2100.

Алюминий определяли согласно ПНД Ф 14.1:2:4.161-00 «МВИ алюминия в питьевых, природных и сточных водах» методом спектрофотомерии с хромазуролом с использованием спектрофотометра WTW PhotoLab Spektral.

Молибден определяли согласно ГОСТ Р 51309-99 методом атомной спектрометрии на приборе PERKIN ELMER 403.

Никель, цинк, железо и марганец определяли согласно ПНД Ф 14.1:2:4.143-98 (издание 2004 г.) «МВИ алюминия, бария, бора, железа, кобальта, марганца, меди, никеля, стронция, титана, хрома и цинка в питьевых, природных, сточных водах» методом ICP спектрометрии с использованием спектрофотометра WTW PhotoLab Spektral.

Хлор остаточный свободный и связанный определяли согласно ГОСТ 18190-72 йодометрическим методом (окисление йодида активным хлором до йода с последующим титрованием тиосульфатом натрия).


Экспериментальная установка для изучения механизма изменения качества питьевой воды

С целью изучения механизма изменения качества питьевой воды в условиях постоянного и переменного режима тока воды нами использовалась экспериментальная установка (далее – биореактор), которая представляла собой стеклянную колонку объемом 2.5 л (высотой 30 см, диаметром 10.5 см) (рис. 2). Колонка была заполнена на 1/3 объема песком, отобранным из песчаных фильтров станции очистки питьевой воды, содержащим природный биоценоз железобактерий.

Для количественного учета различных физиологических групп микроорганизмов геохимического цикла железа и марганца в воде и песчаном фильтре установки использовали метод предельных десятикратных разведений с применением перечисленных ниже стандартных питательных сред.




Рисунок 2. Схема биореактора.

1 – резервуар с водопроводной водой;

2 – микронасос;

3 – песчаный фильтр;

4 – приемник воды;

5 – пробоотборник на входе воды;

6 – пробоотборник на выходе воды из биореактора.

Стрелками указано направление тока воды.

Определение железо- и марганецокисляющих бактерий проводили путем посева на среду Тилера.

Для определения сульфатредуцирующих бактерий использовали среду Видделя с лактатом натрия с добавлением ацетата натрия (0.5 г/л).

Для определения анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий, использующих Fe(OH)₃ или MnO₂ в качестве акцепторов электронов – среду Миерса и Нильсена. Состав среды: сукцинат натрия 3 г, MnO₂ 0,1 г, пептон 0,2 г, дрожжевой экстракт 0,2 г, NaHCO₃ 0,168 г, агар 7,5 г, Hepes 2 г, вода дистиллированная 1л. Также проводили посевы на среду Бромфильда.

Микроскопический анализ производился в светооптическом фазовоконтрастном микроскопе фирмы «Zeiss» NU – 2 и в электронном микроскопе «JEOL» JEM 100 C.

Количественное определение различных форм железа и марганца в водной фазе на выходе и входе биореактора проводили колориметрическими методами на спектрофотометре СФ КФК-3. Общее содержание Mn(II) + Mn(IV) определяли формальдоксимовым методом. Mn(IV) определяли с использованием орто-толидина. Содержание Mn(II) рассчитывали по разности: Mn общ – Mn(IV). Fe(II) определяли роданидным методом. Fe(III) определяли сульфосалициловым методом.

Содержание растворимого в воде кислорода определяли модифицированным микрометодом Винклера с йодом.

Количественное определение других металлов (Al, Cr, Zn, Co, Cu, Pb, Cd) в пробах питьевой воды проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе PERKIN ELMER, модель 403 с использованием пламени: воздух – ацетилен и закись азота – ацетилен.

Электронную микроскопию и определение металлов в твердой фазе (соскобов с погруженных в колонку стекол и в обрастаниях песчаной фракции биореактора) проводили методом рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором в трансмиссионном микроскопе фирмы «JEOL» JEM 100 C при ускоряющем напряжении 80 квольт.

Для электронной микроскопии исследуемый материал после фиксации в 2%-ном растворе глутаральдегида с последующим двукратным отмыванием в дистиллированной воде наносили на медные сетки с формаровой пленкой без дополнительного контрастирования и подсушивали.

Полученные данные обработаны статистически с использованием традиционных методов медицинской статистики, в том числе, с применением пакета программ Microsoft Office Excel 2003 SP3.

В седьмой главе представлены результаты исследований по изучению качества питьевой воды в зависимости от типов водопроводных труб и режимов водопользования. Исследование проводилось на установке из четырех водопроводных труб.

При первичном исследовании качества питьевой воды, протекавшей непрерывно, пробы которой отбирались на входе в экспериментальную установку из четырех труб, вода полностью соответствовала СанПиН 2.1.4.1074-01 по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям.

В режиме непрерывного тока, продолжавшегося 1 месяц, в пробах воды, взятых из различных типов водопроводных труб, органолептические показатели не изменялись в худшую сторону и соответствовали нормам.

Концентрация железа в воде из оцинкованной, медной, пластиковой трубы была равна 0,022+0,0003, 0,024+0,0003, 0,025+0,0007 мг/л соответственно. Достоверно различались концентрации железа в оцинкованной и пластиковой трубе (t=4,7; p < 0,05). Бóльшая, по сравнению с остальными трубами, концентрация железа наблюдалась в питьевой воде, протекавшей по стальной трубе (0,029+0,0009 t=3,5-7,3; p < 0,05). При этом концентрация железа воды во всех типах труб зафиксирована в 10 и более раз меньше, чем величина ПДК (0,3 мг/л).

Достоверной разницы между концентрациями марганца в воде разных труб не наблюдалось. Содержание марганца воды во всех типах труб было значительно ниже ПДК (0,1 мг/л). Содержание нитратов, нитритов, сульфатов, никеля, цинка, меди, молибдена, алюминия не превышало ПДК.

Изучение микробиологических показателей питьевой воды в данном варианте эксперимента во всех пробах воды показало отсутствие общих и термотолерантных колиформных бактерий, колифагов, спор сульфатредуцирующих клостридий, цист лямблий, железобактерий-литотрофов, а также железо- и марганецвосстанавливающих бактерий.

Показатель общего микробного числа для всех четырех труб не превышал 3,67+1,44 КОЕ в 1 мл воды и был в пределах норматива.

Количество железо- и марганецокисляющих бактерий составляло (2,67 - 5,33)+1,44 КОЕ в 1 мл воды. При сравнении количества железобактерий в пробах воды из различных типов труб достоверных отличий не выявлено.

Таким образом, вода, протекавшая по трубам непрерывно в течение 1 месяца, полностью соответствовала СанПиН 2.1.4.1074-01 по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям. За исключением количества соединений железа, достоверных различий в показателях качества питьевой воды в разных трубах обнаружено не было.

Со 2 по 4 месяцы эксперимента вода протекала в прерывистом режиме с остановкой на двое суток. Органолептические показатели качества питьевой воды для всех труб соответствовали СанПиН 2.1.4.1074-01. С 5 по 9 месяцы протекания воды в прерывистом режиме в медной, пластиковой и стальной трубе отмечалось увеличение цветности воды более 20^о, мутности более 1,5 мг/л, присутствовал металлический привкус воды более 2 баллов, выпадал осадок коричневого цвета. В пробах воды, взятых из оцинкованной трубы, ухудшение органолептических показателей, не соответствующих СанПиН 2.1.4.1074-01, наблюдалось с 8 месяца эксперимента. Отмечалось значение мутности более 1,5 мг/л, присутствовал слабый металлический привкус в 2 балла, выпадал незначительный осадок желтого цвета. Значение цветности воды составляло около 20^о, что не превышало нормируемых величин.

Концентрация железа в конце 9 месяца эксперимента в воде из стальной, оцинкованной, медной и пластиковой труб достоверно превышала ПДК (t=7,8 - 49; p < 0,05). Наибольшая концентрация соединений железа была определена в воде, протекавшей по стальной трубе (6,72+0,13 мг/л), что свидетельствует о возможных активных процессах электрохимической коррозии в полости этой трубы. Наименьшая концентрация определялась в воде из оцинкованной трубы (0,84+0,04 мг/л).

Концентрация соединений марганца также превышала ПДК в воде всех типов труб (t=13,2 – 57,5; p< 0,05). Наибольшая концентрация соединений марганца была определена в воде, протекавшей по стальной трубе (3,67+0,27 мг/л), наименьшая – в воде из оцинкованной трубы (0,42+0,01 мг/л), что, однако, достоверно превышало ПДК. Очевидно, благодаря покрытию из цинка, процессы электрохимической коррозии в оцинкованной трубе протекали медленнее, чем в стальной трубе.

Концентрации нитратов, нитритов, сульфатов, никеля, цинка, меди, молибдена, алюминия не превышали ПДК.

В данном варианте эксперимента показатель общего микробного числа для всех четырех труб значительно превышал 50 КОЕ в 1 мл нативной воды (t=20 - 83; p< 0,05). Наибольшее количество микроорганизмов высевалось из воды, протекавшей по стальной трубе, и составляло (31,2+0,37) × 10³ КОЕ в 1 мл нативной воды, наименьшее – из воды оцинкованной трубы (13,3+ 0,65) × 10² КОЕ. Важным фактором, определяющим рост ОМЧ, является, очевидно, большое количество железобактерий.

Число железо- и марганецокисляющих бактерий было меньшим в пробах воды из оцинкованной трубы (4,75+0,39) × 10³, и далее в порядке возрастания - в медной (10,3+1,2) × 10³, пластиковой (25,8+0,9) × 10³ и стальной (65,3+1,2) × 10³ КОЕ в 1 мл воды.

Подобная закономерность определена и в отношении количества железо- и марганецвосстанавливающих бактерий, которое составило в пробах воды из оцинкованной, медной, пластиковой и стальной труб (1,2+0,2) × 10³, (5,3+0,2) × 10³, (16,3+0,5) × 10³, (32,2+1,2) × 10³ КОЕ в 1 мл воды соответственно.

Изучение микробиологических показателей питьевой воды в данном варианте эксперимента во всех пробах воды показало отсутствие общих и термотолерантных колиформных бактерий, колифагов, спор сульфатредуцирующих клостридий, цист лямблий.

После одного месяца перерыва в водопользовании органолептические показатели качества питьевой воды в конце этого этапа эксперимента не соответствовали СанПиН 2.1.4.1074-01 во всех четырех трубах. Отмечалось увеличение цветности воды более 20^о, мутности более 1,5 мг/л, присутствовал металлический привкус воды более 2 баллов, выпадал осадок коричневого цвета. Для воды оцинкованной трубы также наблюдалось увеличение цветности воды более 20^о, мутности более 1,5 мг/л, однако металлический привкус был менее выражен; также выпадал осадок желтого цвета, однако в меньшем количестве, чем в других трубах.

Концентрация железа в воде достоверно различалась в различных трубах. В пробах воды из стальной, оцинкованной, медной и пластиковой труб концентрация соединений железа составила 7,63+0,23, 1,57+0,26, 3,85+0,23, 4,93+0,13 мг/л соответственно, и достоверно превышала ПДК (t=4,8 – 31,7; p< 0,05). Наибольшая концентрация железа была определена в воде, протекавшей по стальной трубе (7,63+0,23 мг/л). Наименьшая концентрация определялась в воде из оцинкованной трубы (1,57+0,26 мг/л).

Концентрация соединений марганца также достоверно превышала ПДК во всех трубах (t=8,8 – 37,4; p < 0,05). Значения концентраций марганца в разных трубах достоверно отличались друг от друга (t=3,2 – 41,2; p < 0,05). Наибольшая концентрация соединений марганца была определена в воде, протекавшей по стальной трубе (4,8+0,03 мг/л), наименьшая – в воде из оцинкованной трубы (0,89+0,09 мг/л). Концентрации нитратов, нитритов, сульфатов, никеля, цинка, меди, молибдена, алюминия не превышали ПДК.

Показатель общего микробного числа для всех четырех труб превышал 50 КОЕ в 1 мл нативной воды (t=6-43; p < 0,05). Наибольшее количество микроорганизмов высевалось из воды, протекавшей по стальной трубе и составляло (17,95+0,92) × 10² КОЕ в 1 мл воды, наименьшее – из воды оцинкованной трубы (1,1+0,1) × 10² КОЕ. Как уже указывалось выше, возрастание значений ОМЧ, очевидно, связано с количеством железо- и марганецокисляющих бактерий.

При посевах на селективную среду количество железо- и марганецвосстанавливающих бактерий достоверно различалось в пробах воды из разных труб. Наибольшее количество микроорганизмов высевалось из воды, протекавшей по стальной трубе, и составляло (65,8+0,2) × 10³ КОЕ в 1 мл нативной воды, наименьшее – из воды оцинкованной трубы (5,41+0,39) × 10³ КОЕ в 1 мл. В пробах воды из медной трубы количество железо- и марганецвосстанавливающих бактерий составляло (12,8+0,26) × 10³, в пластиковой – (25,48+0,15) × 10³ КОЕ в 1 мл воды.

Количество железо- и марганецокисляющих бактерий также достоверно отличалось в пробах воды из разных труб. В пробах воды из оцинкованной трубы количество этих микроорганизмов составляло (1,4+0,3) × 10², из медной трубы – (4,8+0,2) × 10², из пластиковой – (13,8+0,1) × 10², из стальной – (32,8+0,2) × 10² КОЕ в 1 мл воды соответственно.

Изучение микробиологических показателей питьевой воды в данном варианте эксперимента во всех пробах воды показало отсутствие железобактерий-литотрофов, общих и термотолерантных колиформных бактерий, колифагов, спор сульфатредуцирующих клостридий и цист лямблий.

В восьмой главе приведены результаты изучения влияния микробиологических, гидрохимических и гидродинамических факторов на содержание в питьевой воде соединений железа, марганца и тяжелых металлов. Данный этап исследования проводился на биореакторе (рис. 2).

В результате проведенного ранее эксперимента по моделированию различных режимов водопользования было установлено, что в непрерывном режиме качество питьевой воды полностью соответствовало СанПиН 2.1.4.1074-01, а в прерывистом и застойном режимах резко увеличивалась концентрация растворенных в воде соединений железа и марганца. Целью этой части эксперимента являлось изучение механизма ухудшения качества питьевой воды при временной остановке протока, а также изучение способности железо- и марганецокисляющих бактерий осаждать растворенные в воде соединения металлов, что может быть использовано в водоочистке.

Для того чтобы исключить возможность химического окисления, в начале эксперимента нами была проведена серия опытов по сопоставлению скоростей процессов биологического и химического осаждения растворимых соединений железа и марганца из воды. В качестве источника Fe (II) использовали аммонийное лимоннокислое двухвалентное железо, в качестве источника Mn (II) – сернокислый марганец. Для предотвращения биологического окисления вносили ингибитор клеточного дыхания – NaN₃. Химического окисления марганца в контрольных вариантах не происходило за период наблюдений в течение 9 суток. В опытном реакторе за счет природной ассоциации бактерий осаждение новообразованных оксидов марганца приводило к снижению концентрации растворимого марганца в воде ниже величин предельно допустимых концентраций. Данный этап эксперимента показал, что осаждение соединений железа и марганца происходило только за счет деятельности железо- и марганецокисляющих микроорганизмов.

После двух недель с момента пуска протока водопроводной воды, в которую были внесены растворимые соединения железа и марганца, было отмечено обильное осаждение оксидов металлов в отмытом песке песчаного фильтра и на погруженных предметных стеклах. С использованием микроскопического анализа и цитохимических методов окраски Fe(III) и MnO₂, была определена локализация оксидов преимущественно на поверхности бактериальных клеток.

Для наблюдения за развитием микробных ассоциаций, участвующих в окислении двухвалентного железа и марганца, в верхнюю часть колонки биореактора были спущены предметные стекла. Через 16 дней на предметных стеклах, на стенках биореактора и в верхнем слое песка появился бурый налет. Рассмотрение этих стекол и соскобов со стенок под световым микроскопом позволило выявить на них зоны развития железобактерий. При микроскопии среди них обнаружены представители родов Siderocapsa, реже – Leptothrix и Gallionella. Клетки их были покрыты солями железа и марганца. Появление бурого налета на стеклах обрастания свидетельствовало о том, что ассоциация микроорганизмов участвует в окислении железа и марганца в проточных условиях.

Посев на твердую среду Тилера методом предельных разведений в чашках Петри показал, что в 1 грамме крупного песка удалось учесть около (5,8+0,2) × 10⁵ клеток микроорганизмов, окисляющих железо и марганец. На поверхности среды отмечено развитие колоний различной морфологии: точечные, крупные, концентрические с ровным или бахромчатым краем. При микроскопировании среди микроорганизмов доминировали нитчатые железобактерии рода Leptothrix и одноклеточные, покрытые капсулой, бактерии морфотипа Siderocapsa.

Наши исследования показали, что концентрация растворенного в воде кислорода проточной установки может снижаться. Не исключено, что на границе раздела твердой и жидкой фаз в микроколониях могут создаваться микроаэробные условия, что неблагоприятно сказывается на окислительном режиме биофильтра. Поэтому стояла задача в экспериментальной проверке возможности протекания процессов восстановления Fe и Mn в биореакторе. С этой целью в установке создавался переменный режим протока воды. Предполагалось, что в условиях отсутствия подачи кислорода на фильтре будут активироваться процессы перехода в воду Fe²⁺ и Mn²⁺ за счет деятельности железоредуцирующих бактерий, восстанавливающих их из осажденных оксидов, что могло привести к ухудшению качества питьевой воды. Для проверки этого предположения проведен анализ на содержание железа и марганца в растворе и численности микроорганизмов, способных к редукции Fe³⁺ и Mn⁴⁺ при обычном проточном режиме работы установки и после двух суток застойного режима.

В посевах проб из биореактора при протоке воды численность сульфатредукторов не превышала (2,34+0,42) × 10² клеток. Микроорганизмы, осуществляющие анаэробное дыхание за счет редукции Fe³⁺ и Mn⁴⁺ (железо- и марганецредуцирующие бактерии), были обнаружены в толще фильтра. Их численность не превышала (1,25+0,14) × 10³ клеток в 1 г песка.

В ходе экспериментов длительностью 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 ПДК и ниже. Увеличение концентрации железа и марганца от 1 мг/л до 2–3 мг/л в воде на входе не приводило к повышению их содержания в воде на выходе из колонки. Однако кратковременные остановки протока (2 или 11 ч) сопровождались переходом металлов в воду из осажденных на песчаном фильтре оксидов и резкому повышению их концентрации в воде. Последнее коррелировало со снижением концентрации растворенного кислорода в воде и формированием микроаэробных, а, возможно, анаэробных условий в толще песчаного фильтра, что создавало благоприятные условия для жизнедеятельности железо- и марганецредуцирующих бактерий. Последующее возрастание скорости удаления металлов из воды вновь до ПДК при увеличении скорости протока воды вдвое было обусловлено оптимизацией кислородного режима и, как следствие, активизацией железо- и марганецокисляющих бактерий в песчаном фильтре.

При работе биореактора в переменном пережиме, с периодической остановкой протока воды на 1 – 2 суток и даже на несколько часов, снижение кислорода в проточной воде на выходе из колонки приводило к активизации бактериальных восстановительных процессов, переходу ранее осажденных железо- и марганецокисляющими бактериями оксидов железа и марганца в раствор и вторичному загрязнению воды двухвалентными соединениями металлов.

Численность анаэробных железо- и марганецвосстанавливающих бактерий различных физиологических групп, учитываемых на стеклах обрастания и на элективных питательных средах, за кратковременные сроки прекращения протока воды возрастала на 3 порядка, составляя в среднем (2,2+0,25) × 10⁵. Численность сульфатредукторов составляла (1,27+0,15) × 10⁴ клеток в 1 г песка.

Результаты представленных выше экспериментальных данных о влиянии временных остановок в подаче воды на песчаные фильтры биореактора свидетельствуют о важности строгого соблюдения кислородного режима функционирования крупномасштабных песчаных фильтров очистных сооружений городского водоснабжения.

На биореакторе нами проводилось также изучение удаления из воды тяжелых металлов. С учетом сведений о сорбционных свойствах коллоидных соединений оксидов железа и марганца, а также железо- и марганецокисляющих бактерий, представлялось целесообразным исследовать возможность и масштабы сорбционных процессов на песчаном биофильтре биореактора.

Для оценки роли железо- и марганецокисляющих микроорганизмов в удалении, помимо Fe и Mn, других тяжелых металлов был проведен следующий эксперимент. В резервуар, из которого поступала вода на песчаный фильтр, наряду с железом и марганцем вносили соединения хрома, ванадия, никеля, кадмия, свинца, алюминия и цинка в виде растворов солей. Были использованы растворы следующих солей тяжелых металлов: CrC_l3· 6H₂O, C₁₄H₂₄N₁₀NiS₂ · 10H₂O, Cd(CH₃COO) · 2H₂O, CoCl₂ · 6H₂O, Pb(NO₃)₂, Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O и ZnSO₄ · 7H₂O.

Как показали результаты анализов, полученных с использованием методов атомно-абсорбционной спектроскопии и микрозондового рентгеноспектрального 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 ПДК. Накопление этих элементов происходило, по-видимому, за счет сорбционных процессов на поверхности и вокруг железо- и марганецокисляющих бактерий, в их чехлах, капсулах и в свежеосажденных оксидах железа и марганца.

Согласно результатам анализов с использованием метода атомно-абсорбционной спектроскопии, осаждение тяжелых металлов количественно убывало в последовательности: Al > Cr > Zn > Ni > Co > Cu > Cd > Pb.

Остановка протока на двое суток, как и в опытах по осаждению железа и марганца, способствовала снижению концентрации кислорода в водной фазе и активизации анаэробных восстановительных процессов в песчаном фильтре. Это приводило к переходу в раствор не только ионов железа и марганца, но и таких металлов как Cd, Al, Ni, Zn. При возобновлении работы протока уже через сутки в воде на выходе из установки концентрация всех элементов вновь существенно снижалась, в некоторых случаях - до ПДК (Fe, Cr, Co, Cu, Pb).

Таким образом, был исследован механизм ухудшения качества питьевой воды при остановке протока, а также было установлено, что песчаные биофильтры при правильном режиме их эксплуатации способны интенсивно удалять растворимые соединения железа, марганца и тяжелых металлов из воды за счет микробиологических окислительных и сорбционных процессов.

В восьмой главе представлено обобщение полученных результатов исследования.

ВЫВОДЫ

1. Качество питьевой воды в режиме непрерывного пользования соответствовало требованиям СанПиН 2.1.4. 1074-01 и не зависело от типов труб.
   
2. После перерыва в водопользовании (от 48 часов до 1 месяца) существенно ухудшалось качество питьевой воды. Возрастали значения органолептических показателей: цветности более 20°, мутности более 1,5 мг/л., привкуса – более 2 баллов. Возрастали показатели химического состава: увеличивалась концентрация соединений железа (1,57+0,26 – 7,63+0,23 мг/л) и марганца (0,89+0,09 – 4,8+0,03 мг/л), при ПДК равном 0,3 и 0,1 мг/л соответственно. Увеличивались микробиологические показатели за счет возрастания микробного числа до (2,43+0,12 - 38,95+0,92) × 10³ при нормативе 50 КОЕ в 1 мл воды.
   
3. Лучшим качеством в изученных реальных режимах водопользования обладала питьевая вода в водоразводящей системе из оцинкованной трубы. Цветность воды была около 20°, мутность - более 1,5 мг/л, привкус – более 2 баллов. Концентрация соединений железа составляла 1,57+0,26 мг/л, марганца 0,89+0,09 мг/л, общее микробное число было равно (13,3 + 0,65) × 10² КОЕ. Худшим качеством обладала питьевая вода, протекавшая по стальной трубе. Цветность воды была более 20°, мутность - более 1,5 мг/л, привкус более 2 баллов. Концентрация соединений железа составляла 7,63+0,23 мг/л, марганца 4,8+0,03 мг/л, общее микробное число было равно (31,2+0,37) × 10³ КОЕ в 1 мл воды.
   
4. Трубы из металлопластика и меди не обеспечивают должного качества питьевой воды в прерывистом режиме водопользования по органолептическим, химическим и микробиологическим показателям. Цветности воды составляла более 20°, мутность - более 1,5, привкус более 2 баллов. Концентрация соединений железа проб воды из металлопластика и меди составляла 4,93+0,13 мг/л и 3,85+0,23 мг/л, марганца 3,58+0,26 мг/л и 2,72+0,07, общее микробное число было равно (12,3+0,19) × 10³ и (52,8+0,76) × 10² КОЕ в 1 мл воды соответственно.
   
5. Механизм значительного увеличения концентрации соединений железа, марганца, а также тяжелых металлов в питьевой воде в переменном режиме водопользования заключается в дефиците растворенного кислорода, что активирует восстановительные процессы в клетках железо- и марганец редуцирующих бактерий и приводит к вторичному загрязнению питьевой воды растворимыми соединениями металлов, ранее осажденными железо- и марганецокисляющими бактериями.
   
6. В условиях застоя питьевой воды в течение двух суток происходит увеличение концентрации в воде соединений хрома (до 0,57+0,01 мг/л), никеля (до 1,09+0,12 мг/л), меди (до 2,34+0,03 мг/л), алюминия (до 2,38+0,1), кадмия (до 0,029+0,002 мг/л), превышающих ПДК содержания этих металлов в питьевой воде.
   
7. Для совершенствования работы существующих и разрабатываемых способов водоподготовки при централизованном водоснабжении и улучшения качества питьевой воды может служить оптимизация кислородного режима работы биофильтров.
   

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для водоразводящих систем при централизованном водоснабжении рекомендуется более широкое применение оцинкованных труб, как обеспечивающих лучшие свойства питьевой воды по органолептическим, микробиологическим и показателям безвредности по химическому составу.
   
2. Медные, металлопластиковые и стальные водопроводные трубы не могут быть рекомендованы к применению, так как способствуют ухудшению качества воды в прерывистом режиме водопользования.
   
3. Для улучшения качества питьевой воды в процессе водоподготовки на этапе фильтрации рекомендуется создание и поддержание оптимального кислородного режима в песчаных фильтрах.
   

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Королик В.В., Мысякин А.Е. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в водоразводящих системах // Вестник Российского государственного медицинского университета. – 2006. – № 1 (60). – С. 62–65.
   
2. Мысякин А.Е., Королик В.В. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в зависимости от типов водопроводных труб и режимов эксплуатации // «История становления и развития отечественной гигиенической науки и практики» / Материалы межвузовской научно-практической конференции, посвященной 125-летию кафедры общей гигиены ММА им. Сеченова, 6 ноября 2009 г. М.: Издательский дом «Русский врач», 2009. – С. 169–170.
   
3. Мысякин А.Е. Изменение качественного состава питьевой воды в зависимости от типов водопроводных труб и режимов водопользования // «Методологические проблемы изучения, оценки и регламентирования биологических факторов в гигиене окружающей среды» / Материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации 16-17 декабря 2009 г. М., 2009. – С. 183–184.
   
4. Мысякин А.Е., Королик В.В. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в зависимости от типа водопроводных труб и режимов водопользования // Здоровье населения и среда обитания. – 2010. – № 3. С. 36–40.