Среди процессов кондиционирования качества питьевой воды наиболее значимым с точки зрения профилактики эпидемических заболеваний является обеззараживание. Обеззараживание как метод водоподготовки привлекает пристальное внимание не только гигиенистов, но и инженерно-технических работников, химиков, физиков, микробиологов и многих других специалистов. В этой связи считают, что обеззараживание питьевой воды следует рассматривать как комплексную проблему, успешное решение которой зависит от учета всех составляющих ее аспектов.
Существующая практика обеззараживания питьевой воды в свете новых данных, полученных за последние 10 – 15 лет, показывает негативные стороны технического прогресса, проявляющиеся в токсическом действии как самих обеззараживающих реагентов, так и побочных продуктов реакции, дающих канцерогенный, мутагенный и ряд других неблагоприятных эффектов. Данное обстоятельство требует замены или совершенствования существующих способов обеззараживания питьевой воды и выводит на первый план гигиенический аспект проблемы. В результате постепенно формируется мнение о ведущей и координирующей роли гигиенистов при оценке риска традиционных и перспективных способов обеззараживания питьевой воды.
Оценивая обеззараживание воды как комплексную проблему, следует непосредственно остановиться на существующих способах, объективный анализ которых позволит оценить с гигиенических позиций их преимущества и недостатки, определить перспективность дальнейших гигиенических исследований.
В практике водоподготовки и большинстве публикаций принято условно разделять способы обеззараживания воды на реагентные (химические), безреагентные (физические) и комбинированные.
К химическим способам обеззараживания питьевой воды относятся: хлорирование, озонирование, использование препаратов серебра, меди, йода и некоторых других реагентов. И если первые два способа получили широкое распространение на очистных сооружениях водопроводов, то последующие нашли применение, как правило, при обеззараживании небольших объемов воды на автономных объектах, в полевых и экстремальных условиях водоснабжения.
Хлорирование – наиболее известный способ обеззараживания воды как в нашей стране, так и за рубежом. Хлорирование воды осуществляется газообразным хлором или веществами, содержащими активный хлор: хлорной известью, гипохлоритами, хлораминами, диоксидом хлора и др. В последние годы в практику обеззараживания природных вод внедряется электрохимический способ.
Хлорирование характеризуется широким спектром антимикробного действия в отношении вегетативных форм микроорганизмов, экономичностью, простотой технологического оформления, наличием способа оперативного контроля за процессом обеззараживания. Согласно современным представлениям, для активного хлора характерным является комплексный характер его воздействия на различные структуры микроорганизма: цитоплазматическую мембрану, белки цитоплазмы, ядерный аппарат клетки. Установлено, что хлор уничтожает ферменты дыхательной цепи бактерий – дегидрогеназы, блокируя SH-группы. Наряду с ионным характером окислительных процессов рассматривается и свободнорадикальный механизм повреждений, приводящих к аналогичным результатам.
Вместе с тем хлорирование имеет ряд существенных недостатков. Хлор и его препараты являются токсичными соединениями, поэтому работа с ними требует строгого соблюдения техники безопасности. Хлор воздействует в основном на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамположительные формы бактерий более устойчивы к его действию, чем грамотрицательные. В литературе имеются многочисленные сведения о реактивации микроорганизмов в хлорированной питьевой воде, появлении хлорустойчивых штаммов. Для получения гарантированного бактерицидного эффекта прибегают к хлорированию заведомо избыточными дозами хлора, что ухудшает органолептические показатели и приводит к денатурации воды.
Спороцидный эффект проявляется при относительно высоких концентрациях активного хлора (200 – 300 мг/л) и экспозиции от 1,5 до 24 ч. Что касается вирулицидного действия хлорсодержащих препаратов, то, поданным разных авторов, гибель вирусов наблюдается при концентрациях активного хлора от 0,5 до 100 мг/л. Высокорезистентными к действию хлора являются также цисты простейших и яйца гельминтов. Необходимо отметить, что эффективность обеззараживающего действия хлора и его препаратов существенно зависит не только от биологической характеристики микроорганизмов (вид, штамм, плотность заражения и др.), но и от химического состава воды, а также экспозиции. Различные химические вещества антропогенного происхождения могут существенно влиять на эффективность процесса обеззараживания. Так, поверхностно-активные вещества препятствуют реализации бактерицидного эффекта хлора и даже проявляют стимулирующее действие, вызывая размножение микрофлоры.
В последние два десятилетия в литературе появились многочисленные сообщения о возможности образования в воде после хлорирования галогенсодержащих соединений (ГСС). На процесс образования ГСС в водной среде оказывает влияние реакционная способность и концентрация органических соединений. Источником наибольшего количества ГСС в воде являются гуминовые кислоты, фульвокислоты, хиноины, производные фенола, анилина, а также продукты метаболизма водорослей. Кроме того, немаловажную роль играет форма и доза активного хлора. Накопление в питьевой воде ГСС представляется опасным для здоровья населения в связи с их биологической активностью. ГСС не только обладают выраженными общетоксическими свойствами, но и дают отдаленные эффекты – эмбриотоксический, мутагенный, канцерогенный.
По мнению ряда отечественных и зарубежных авторов, такие способы обеззараживания питьевой воды, как озонирование и обработка перекисью водорода, лишены ряда недостатков, присущих хлорированию. Озонирование нашло применение на кораблях торгового и Военно-Морского Флота, других объектах с автономным водоснабжением.
Особенностью озона является легкость его распада с образованием атомарного кислорода – одного из наиболее сильных окислителей. Атомарный кислород уничтожает бактерии, споры, вирусы, разрушает растворенные в воде органические вещества. Это позволяет использовать озон не только для обеззараживания, но и для дезодорации питьевой воды, удаления токсических органических веществ. Избыток озона в отличие от хлора не денатурирует воду. При озонировании минеральный состав, щелочность, рН воды остаются без изменений.
Обеззараживающее действие озона в 15 – 20 раз, а на споровые формы бактерий примерно в 300 – 600 раз сильнее действия хлора. Высокий вирулицидный эффект озона отмечается при реальных для практики водоснабжения концентрациях 0,5 – 0,8 мг/л и экспозиции 12 мин. Исследования последних лет показали высокую эффективность озона при уничтожении в воде патогенных простейших. К преимуществам озонирования следует отнести наличие способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания, отработанные технологические схемы получения реагента.
Механизм бактерицидного действия озона до настоящего времени остается предметом дискуссии. Одни авторы предполагают, что озон инактивирует бактериальные ферменты, приводя к нарушению обменных процессов и гибели микробной клетки. Другие считают, что под действием озона происходят значительные изменения структуры и морфологии бактерий, а также необратимые нарушения в бактериальной ДНК.
Озонирование, как и хлорирование, не лишено недостатков. Озон является взрывоопасным и токсичным для человека реагентом, что требует строгого соблюдения техники безопасности и надежного оборудования на станциях водоподготовки. Озонирование – на порядок более дорогой, чем хлорирование, способ обеззараживания воды. Быстрое разложение озона в обработанной воде (20 – 30 мин) ограничивает его применение в качестве конечного дезинфицирующего средства. После озонирования нередко наблюдают значительный рост микрофлоры, объясняя его как реактивацией бактерий, так и вторичным загрязнением обработанной воды. В отдельных сообщениях подчеркивается, что даже высокие дозы озона (20 мг/л) и длительная экспозиция (1,5 – 2 ч) не обеспечивали полного эффекта обеззараживания в отношении бактериальных спор. Эффективность обеззараживания озоном существенно зависит от качества воды и технологических параметров процесса.
Обработка воды озоном не исключает образования побочных токсических продуктов. К ним относятся броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, другие гидроксилированные и алифатические ароматические соединения. Образующиеся побочные продукты могут вызывать мутагенный и другие неблагоприятные эффекты. Более глубокие изменения химического состава воды наблюдаются, если в схеме водоснабжения применяют хлорирование воды после ее озонирования. В этом случае хлорирование побочных продуктов озонирования воды приводит к образованию тригаломеганов – известных мутагенов и канцерогенов. Анализируя состояние данного вопроса, авторы работ подчеркивают, что проблема влияния продуктов озонолиза на здоровье человека остается недостаточно изученной.
В настоящее время возрос интерес к перекиси водорода как обеззараживающему агенту, обеспечивающему осуществление технологических процессов без образования токсичных продуктов, загрязняющих внешнюю среду. Предположительно основным механизмом антибактериального действия перекиси водорода является образование супероксидных и гидроксильных радикалов, которые могут оказывать либо прямое цитотоксическое действие, либо опосредованное, приводящее к повреждению ДНК.
Практический опыт применения серебра и его препаратов с целью обеззараживания и консервации питьевой воды накапливался человечеством на протяжении многих веков. Работами отечественных и зарубежных авторов был установлен высокий бактерицидный эффект ионов серебра уже в концентрации 0,05 мг/л. Было показано, что серебро обладает широким спектром антимикробного действия, подавляя бактерии и вирусы.
Наибольшее распространение получило использование электролитического или анодорастворимого серебра. Электролитическое введение реагента позволяет автоматизировать процесс обеззараживания воды, а образующиеся при этом на аноде ионы гипохлорита и перекисных соединений усиливают бактерицидное действие анодорастворимого серебра. К достоинствам способа относится возможность автоматизации процесса и точного дозирования реагента. Серебро оказывает выраженное последействие, что позволяет консервировать воду на срок до 6 мес. и более.
По современным представлениям, ионы серебра сорбируются клеточной оболочкой и после достижения избыточной концентрации проникают в микробную клетку. Ионы серебра блокируют функциональные группы основных ферментных систем клетки, расположенных в цитоплазматической мембране или в периплазматическом пространстве.
Вместе с тем серебро является дорогим и весьма дефицитным реагентом, на антимикробное действие серебра заметно влияют физико-химические свойства обрабатываемой воды. Серебро не оказывает спороцидного действия, но, по мнению отдельных авторов, прорастание спор в присутствии ионов серебра задерживается. Вирулицидное действие ионов серебра проявляется только при высоких концентрациях – 0,5 – 10 мг/л. Необходимый бактерицидный эффект при концентрации серебра 0,06 – 0,1 мг/л достигается после экспозиции 2 – 6 ч, а в ряде случаев – через 24 ч. Возможно развитие устойчивости к серебру у патогенных микроорганизмов. Показано, что во многих случаях резистентность к серебру у бактерий обусловлена присутствием генетических детерминант – R-плазмид, которые увеличивают толерантность к данному реагенту в 100 и более раз. Эффективными рабочими концентрациями серебра, особенно в практике обеззараживания воды на кораблях и других автономных объектах, являются 0,2 – 0,4 мг/л и выше. Вместе с тем ПДК в воде этого металла, установленная по токсикологическому признаку вредности, составляет 0,05 мг/л. Этот норматив принят не только в нашей стране, но и в большинстве развитых стран мира, например в США. И хотя некоторые исследователи сообщают от отсутствии отрицательного влияния серебра в концентрации 0,2 – 2,0 мг/л на организм лабораторных животных и культуру ткани, в «Руководстве по контролю качества питьевой воды» ВОЗ (1994) подчеркивается, что такое содержание серебра является небезразличным для здоровья человека. В силу вышеперечисленных обстоятельств обработка серебром рекомендуется для обеззараживания и консервации небольших объемов воды на объектах с автономными системами водоснабжения.
В практике обеззараживания питьевой воды все большее место находит применение ионов меди. Медь, как и серебро, являясь олигодинамическим металлом, оказывает инактивирующее действие на бактерии и вирусы, но в больших концентрациях, чем серебро. Антимикробные спектры серебра и меди совпадают. Установлено, что под влиянием ионов меди экстремально меняется электрокинетический потенциал микробной клетки. По мнению некоторых авторов, ионы меди нарушают барьерные функции бактериальных мембран, что в свою очередь приводит к изменению их проницаемости. Авторы другой публикации токсическое действие ионов меди объясняют их взаимодействием с SH-группами бактериальных белков и ферментов, приводящим к образованию дисульфидных связей. Возможен и обратный процесс – восстановление SH-группы веществами, генерируемыми клеткой в процессе ее жизнедеятельности. В этом случае действие ионов меди можно определить как бактериостатичеокое. Инактивация микроорганизмов медью протекает медленнее, чем свободным хлором или хлорамином|. На эффективность обеззараживания воды медью влияют физико-химические показатели качества воды.
Для обеззараживания индивидуальных или небольших групповых количеств воды могут быть использованы препараты йода, которые в отличие от препаратов хлора действуют быстрее, не ухудшают органолептические свойства воды. Бактерицидный эффект обеспечивается при концентрации 0,3 – 1,0 мг/л и экспозиции 20 – 30 мин. Вирулицидное действие йода зависит от температуры воды, рН, экспозиции и отмечается в диапазоне концентраций 0,5 – 2,0 мг/л. Имеются сообщения о паразитоцидном действии йода. В связи с высокими бактерицидными свойствами, наличием вирулицидного и паразитоцидного действия препараты йода рассматриваются как одно из перспективных средств обеззараживания питьевой воды.
К физическим способам обеззараживания питьевой воды относится использование ультрафиолетового и ионизирующего излучения, ультразвуковых колебаний, термической обработки.
В настоящее время ультрафиолетовое излучение (УФИ), оказывающее бактерицидное, вирулицидное и спороцидное действие, нашло широкое применение в практике обеззараживания природных вод. Показано, что УФИ с длиной волны 250 – 260 нм оказывает наибольшее антимикробное действие. Чувствительность микроорганизмов к УФИ в этом диапазоне хорошо изучена и определяется по дозе излучения, которая обычно измеряется в мДж/см2 или мВт • с/см2. Доза, обеспечивающая 90% инактивацию Е. coli, составляет 3 мДж/см2. Для более глубокого обеззараживания, т. е. уменьшения количества микроорганизмов на 99, 99,9, 99,99%, требуются дозы УФИ соответственно 6,9 и 15 мДж/см2.
Однако антимикробный эффект в отношении других видов микроорганизмов, по данным ряда авторов, находится в диапазоне доз от 2,5 до 440 мДж/см2.
Большинство исследователей отмечают, что микроорганизмы по чувствительности к УФИ располагаются в следующем порядке: вегетативные бактерии > вирусы > бактериальные споры > цисты > простейшие. Следовательно, вирусы более устойчивы к УФИ, чем вегетативные формы бактерий, и среди них вирусы, содержащие двухнитевую ДНК, более устойчивы, чем вирусы с однонитевой ДНК. Для инактивации последних на 99,9% требуется доза излучения в 3 – 4 раза выше, чем для Е. coli, St. aureus и Salm. sonnei, а именно 28 – 42 мДж/см2. Наиболее устойчивыми к УФИ оказались споры Вас. subtilis и цисты A. castellanii.
В практике водоподготовки принято считать, что для эффективного заключительного обеззараживания воды УФ-установки должны обеспечивать дозу облучения не менее 16 мДж/см2. Наряду с этим Sommer R. et al. считают минимальной для эффективного обеззараживания воды дозу 25 мДж/см2.
Гибель микроорганизмов под действием УФИ с волны 250 – 260 нм происходит за счет необратимых повреждений бактериальной ДНК. Основными мишенями при этом являются азотистые основания нуклеотидов – пурины и пиримидины. Данные, полученные в последние десятилетия, показывают, что не только коротковолновое, но и УФИ в области 280 – 400 нм способно индуцировать фотодеструктивные реакции в ДНК. В результате обработки УФИ наряду с ДНК повреждаются РНК, мембранные и белковые структуры бактериальной клетки. Заслуживают внимания появившиеся в последние годы сообщения об образовании в воде под действием УФИ свободнорадикальных продуктов, которые усиливают бактерицидное действие этого физического фактора. По мнению некоторых авторов, весьма перспективным для обеззараживания воды является использование импульсного УФИ.
Анализ литературных данных позволил выявить как положительные, так и отрицательные стороны использования УФИ в практике обеззараживания питьевой воды. К положительным можно отнести следующие: широкий спектр антимикробного действия, отсутствие опасности передозировки; УФИ не денатурирует воду, не изменяет запах и вкус воды; способ не требует реакционных емкостей, отличаясь высокой производительностью и простотой эксплуатации; требуется минимальное контактное время (секунды) для обеззараживания воды; эффективность обеззараживания не зависит от рН и температуры воды; установки УФ-обеззараживания компактны, работают в проточном режиме, надежны в отношении техники безопасности; способ экономичен, сравним по стоимости с хлорированием.
Отрицательными сторонами обеззараживания воды УФИ являются: зависимость бактерицидного эффекта от мутности и цветности обрабатываемой воды, вида микроорганизмов, их количества, дозы облучения; отсутствие надежного способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания. Кроме того, эффективная доза УФИ при прочих равных условиях зависит от типа установки и, следовательно, необходимо проверять эффективность работы оборудования в каждом конкретном случае. К числу негативных особенностей способа относится и возможность осаждения содержащихся в воде гуминовых кислот, железа и солей марганца на кварцевом чехле ламп, что уменьшает интенсивность излучения. Данная технология не имеет эффекта последействия, что делает возможным вторичный рост бактерий в обрабатываемой воде. Реактивация микрофлоры возникает в тех случаях, когда интенсивность УФИ ниже необходимого уровня, обработанная вода подвергается вторичному загрязнению или последующему облучению видимым светом (фотореактивация). Наряду с фотореактивацией возможна и фотозащита – возрастание устойчивости к действию коротковолнового УФИ у микроорганизмов, предварительно облученных длинноволновым УФ-светом.
Для обеззараживания воды можно использовать ионизирующее излучение. Показано, что γ-излучение оказывает выраженное бактерицидное действие. Поданным литературы [50], доза γ-излучения порядка 25 000 – 50 000 Р вызывает гибель практически всех видов микроорганизмов, а доза 100 000 Р освобождает воду от вирусов. Решающая роль в поражении бактериальных клеток и вирусов под действием ионизирующего излучения принадлежит свободнорадикальным продуктам, возникающим в результате радиолиза воды. Преимуществами данного способа обеззараживания являются: большая проникающая способность γ-лучей, независимость бактерицидного действия от химического состава и физических свойств воды, отсутствие влияния на органолептические показатели, относительная дешевизна. К числу недостатков способа относятся: строгие требования к технике безопасности для обслуживающего персонала, ограниченное число подобных источников излучения, отсутствие последействия и способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания.
Применению ультразвуковых колебаний (УЗК) для обеззараживания питьевой воды было посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. Особенностью данного физического фактора является большая интенсивность колебаний, что обусловливает его физико-химическое и биологическое действие. В качестве источника УЗК используют различные пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы. В литературе имеются единичные сообщения о возможности обеззараживания воды воздействием импульсных УЗК. Единой теории, объясняющей бактерицидное действие УЗК в воде, до настоящего времени не существует. Одни исследователи считают, что биологическое действие УЗК обусловлено механическими колебаниями в результате ультразвуковой кавитации, другие, наряду с механическим воздействием, подчеркивают роль химических реакций, вызванных влиянием данного физического фактора.
УЗК оказывают губительное действие на самые разнообразные микроорганизмы – патогенные и непатогенные, анаэробные и аэробные, вегетативные и споровые, а также разрушают продукты их жизнедеятельности. Эффективность бактерицидного действия УЗК зависит от целого ряда обстоятельств: параметров данного физического фактора (интенсивности, частоты колебаний, экспозиции); некоторых физических особенностей озвучиваемой среды (температура, вязкость); морфологических особенностей возбудителя (размеров и формы бактериальной клетки, наличия капсулы, химического состава мембраны, возраста культуры).
Наиболее выраженным является действие УЗК с длиной волны, соизмеримой с размерами озвучиваемых объектов. Высота слоя воды при обработке УЗК мало влияет на бактерицидный эффект, и процент гибели клеток для слоев до 10 см практически одинаков. Бактерицидный эффект УЗК не зависит от мутности (в пределах до 50 мг/л) и цветности озвучиваемой воды, распространяясь в равной мере как на вегетативные, так и на споровые формы микроорганизмов.
К преимуществам УЗК можно отнести следующие: широкий спектр антимикробного действия, отсутствие отрицательного влияния на органолептические свойства воды, независимость бактерицидного действия от основных физико-химических параметров воды, возможность автоматизации процесса.
Вместе с тем многие теоретические, научные и технологические основы использования УЗК до настоящего времени не разработаны. В результате возникают трудности при определении оптимальной интенсивности колебаний и их частоты, времени озвучивания и других параметров процесса. Недостатком УЗК также является отсутствие последействия и метода оперативного контроля за эффективностью обеззараживания. Процесс обеззараживания воды УЗК остается в 2 – 4 раза более дорогим, чем обработка УФИ, при энергозатратах 2 – 2,5 кВт•ч/м3. Сдерживающим моментом широкого применения данного физического фактора остается трудность конструирования установок большой производительности, отличающихся надежностью в эксплуатации и приемлемой себестоимостью.
Для термического обеззараживания питьевой воды используют открытое пламя (в том числе и высокотемпературную плазму), горячий воздух, перегретый пар. Среди видов термической обработки воды наиболее часто применяют ее кипячение. Кипячение в течение нескольких минут освобождает воду от вегетативных форм микроорганизмов, разрушает различные бактериальные эндо- и экзотоксины, инактивирует вирусы. Споры инактивируются за более длительное время: для возбудителя сибирской язвы оно составляет 10 мин, столбняка – около 1 ч, Cl. botulinum – 1 – 5 ч. Гибель микроорганизмов после кипячения необратима, что в сочетании с возможностью автоматизации позволяет отказаться от оперативного контроля за эффективностью обеззараживания.
Достоинствами кипячения являются надежность и быстрота обеззараживающего действия, независимость эффекта от физико-химических показателей обеззараживаемой воды, простота контроля за эффективностью обработки, возможность автоматизации. К недостаткам способа относятся: дороговизна в силу значительных затрат электроэнергии или топлива, малая производительность. Кипяченая вода легко подвергается вторичному микробному загрязнению, так как отсутствуют эффект последействия и конкурирующие сапрофиты, а температура воды долго остается благоприятной для роста микроорганизмов. В силу экономических и технологических трудностей кипячение рассматривают как способ обеззараживания индивидуальных (групповых) запасов питьевой воды в домашних условиях, на автономных объектах и транспорте, при сложной эпидемической обстановке.
В научной литературе имеются сообщения о возможности использования для обеззараживания воды и некоторых другие физических факторов: электромагнитных полей, лазерного излучения, вакуумирования. Однако до настоящего времени изучение этих способов находится на стадии лабораторных исследований.
Согласно одной из распространенных точек зрения, к способам обеззараживания воды причисляются только те, которые оказывают на микроорганизмы бактерицидное или бактериостатическое действие. Поэтому такой процесс водоподготовки, как фильтрация, некоторые авторы предлагают не считать способом обеззараживания. Специалисты, представляющие другую точку зрения, причисляют процессы фильтрации и сорбции к полноценным способам обеззараживания питьевой воды, относя их в группу физических или механических.
Известно, что в процессе фильтрации за счет абсорбционных и адгезионных механизмов, явлений сорбционного взаимодействия микроорганизмов с различными материалами происходит очистка воды от бактериальных и вирусных агентов. Ультрафильтрация, сорбционная и мембранная технологии находят в последние годы все большее применение в практике водоподготовки, показывая высокую эффективность при освобождении воды от патогенных микроорганизмов, вирусов, простейших.
Фильтрация воды как способ освобождения от микроорганизмов имеет ряд достоинств. Этот способ не ухудшает физико-химические показатели обрабатываемой воды, он прост, экономичен и доступен в эксплуатации, а в качестве фильтрующих материалов могут использоваться многие природные сорбенты. Вместе с тем многие авторы подчеркивают, что фильтрационные и сорбционные способы сами по себе не обеспечивают необходимого уровня очистки воды от микроорганизмов. Только сочетание этих способов с химическими обеззараживающими реагентами позволяет достигнуть нужных результатов. Однако и в этом случае имеются серьезные возражения специалистов. Эксперты ВОЗ считают, что имеются хорошо документированные данные о росте бактерий на фильтрах, а импрегнации в используемые фильтры серебра дает ограниченный эффект. По этой причине «Руководство по контролю качества питьевой воды» ВОЗ (1994) настоятельно рекомендует использовать фильтры только для питьевой воды, несомненно, безопасной в микробиологическом отношении.
Недостатки традиционных способов обеззараживания питьевой воды заставляют исследователей искать новые, основанные, как правило, на комбинированном действии двух или нескольких факторов. В комбинации могут присутствовать только химические агенты или физические факторы, предлагаются также физико-химические способы.
В качестве комбинированных химических способов рассматриваются использование хлора и озона, препаратов хлора с перекисью водорода, ионами серебра и меди, перекиси водорода с озоном, ионами серебра и меди, а также ряд других комбинаций. Данные технологии предполагают снижение концентрации применяемых реагентов, уменьшение времени обработки воды при неизменном, а в ряде случаев и более выраженном антимикробном эффекте.
Для обеззараживания питьевой воды предлагаются комбинированные физические способы, в частности сочетание УФИ и УЗК, термическая обработка с УЗК или γ-излучением, комплекс электрических воздействий. Характерными недостатками комбинированных физических способов являются отсутствие последействия и способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания воды.
В литературе рассматривается возможность использования импульсных электрических разрядов (ИЭР) для обеззараживания воды. Приоритетные исследования в этом направлении осуществил в 50 – 70-х годах XX столетия отечественный гигиенист Е. Г. Жук. Эти материалы были получены в результате изучения сложного электрофизического явления – высоковольтного электрического разряда в жидкости, описанного Л. А. Юткиным и названного им «электрогидравлический эффект».
ИЭР возникает в соответствующем устройстве в результате выделения большого количества энергии между электродами, помешенными в сосуд с обрабатываемой жидкостью. Высоковольтный разряд (20 – 100 кВ) происходит за считанные доли секунды и сопровождается мощными гидравлическими процессами с образованием ударных волн и явлений кавитации, возникновением импульсных УФИ и УЗК, импульсных магнитных и электрических полей.
В литературе нет однозначного мнения о механизме действия ИЭР на бактериальную клетку и о роли каждой его составляющей в реализации бактерицидного эффекта. Вместе с тем большинство исследователей расценивают ИЭР как комбинированный физический способ обеззараживания воды. Накопленные к настоящему времени материалы свидетельствуют о высокой эффективности бактерицидного, вирулицидного и спороцидного действия высоковольтных ИЭР. Обеззараживание наступает после чрезвычайно малой экспозиции (секунды), практически не зависит от концентрации микроорганизмов и их вида, мало зависит от органических и неорганических примесей, присутствующих в обрабатываемой воде. На выраженность бактерицидного эффекта ИЭР влияют величина рабочего напряжения и межэлектродного промежутка, емкость конденсаторов, суммарная плотность энергии обработки (в Дж/мл или кДж/л) и ряд других технических параметров. Энергоемкость ИЭР в пилотных исследованиях составляла 0,2 кВт • ч/м3, т. е. была сопоставима с таковой при озонировании. В литературе имеются сообщения о бактерицидном действии не только высоковольтных ИЭР, но и ИЭР малой мощности и напряжения (до 0,5 кВ), поверхностных (на границе среда – жидкость) ИЭР и коронных разрядов.
К недостаткам обеззараживания воды высоковольтными ИЭР относятся: сравнительно высокая энергоемкость и сложность используемой аппаратуры, несовершенство метода оперативного контроля за эффективностью обеззараживания, недостаточная степень изученности механизма действия разряда на микроорганизмы, а значит, и роли каждой составляющей данного комбинированного способа.
В последнее время в нашей стране и за рубежом все большее внимание уделяется физико-химическим способам обеззараживания питьевой воды. Особенно возрос интерес к сочетанию УФИ с химическими дезинфектантами. Предлагается совместное использование УФИ с ионами серебра и меди, показана возможность использования УФИ с хлором и перекисью водорода, УЗК и хлора. Помимо получения более высокого антимикробного эффекта, таким образом можно устранить один из недостатков УФИ – отсутствие последействия.
Установлено, что в результате предварительного введения в воду окислителей (озона, перекиси водорода) и последующей ее обработки УФИ образуются свободные радикалы, которые в свою очередь являются более мощными окислителями. При совместном действии УФИ и окислителей отмечено значительное усиление скорости и степени инактивации бактерий по сравнению с действием каждого агента в отдельности. В зарубежной литературе эта группа окислительных технологий объединена термином Advanced Oxidation Processes (АОР). Считается, что степень взаимоусиления отдельных воздействий от каждого из применяемых средств, т.е. степень синергизма, достигает при обеззараживании воды величин 103. Кроме того, использование в качестве окислителей естественных для природной среды веществ – озона и перекиси водорода, способных легко разлагаться под действием света, – обеспечивает экологическую чистоту этих способов в отличие от традиционного хлорирования и комбинированных химических технологий,
Представленный к настоящему времени в литературе экспериментальный материал по АОР демонстрирует разнообразие проявлений совместного действия окислителей на микроорганизм, а также характерную для фотохимических реакций предельную зависимость эффективности процесса от концентрации окислителя и интенсивности излучения. С другой стороны, среди обширного числа публикаций по АОР лишь немногие направлены на систематическое изучение явления синергизма при совместном действии нескольких агентов. В отдельных работах констатируется не только отсутствие взаимоусиления при действии комбинированных физико-химических способов (хлор и УФИ), по и возможность возникновения антагонизма.
Среди других перспективных физико-химических способов обеззараживания воды, находящихся на стадии лабораторных исследований, можно отметить: воздействие постоянного электрического поля с ионами серебра и меди, УЗК с перекисью водорода, γ-излучение с перекисью водорода или хлором, лазерное излучение с ионами меди.
Особый интерес вызывают исследования, посвященные оценке обеззараживания воды низко-энергетическими ИЭР (НИЭР). Данная технология отличается от воздействия высоковольтных разрядов на порядок более низким значением рабочего напряжения (1 – 10 кВ) и энергии единичного импульса, относясь к категории так называемого «мягкого» разряда. Особенностью биологического действия НИЭР в воде является комбинированное влияние на микроорганизмы уже упомянутых импульсных физических факторов и химической составляющей – образующихся в зоне разряда свободных радикалов. Кроме того, НИЭР обладает выраженным последействием, которое связывают с олигодинамией ионов металлов (серебро, медь), выделяющихся с электродов в процессе разряда. Это обстоятельство позволяет рассматривать НИЭР как комбинированный физико-химический способ обеззараживания питьевой воды. Выгодно отличаясь от высоковольтных ИЭР меньшими энергозатратами, НИЭР при прочих равных условиях оказывает более выраженное бактерицидное действие. Показано, что эффективность бактерицидного действия НИЭР обратно пропорциональна величине рабочего напряжения, а оптимальное значение последнего приближается к 3 кВ. Комплексная гигиеническая оценка данной технологии, проведенная рядом авторов, позволяет рассматривать НИЭР как перспективный способ обеззараживания питьевой воды.
Таким образом, анализ приведенной литературы показывает, что используемые в настоящее время химические и физические способы обеззараживания питьевой воды по ряду существенных показателей не отвечают современным гигиеническим требованиям. Недостатки традиционных способов заставляют исследователей искать новые, основанные, как правило, на комбинированном действии двух или нескольких факторов. Предварительная оценка существующих и разрабатываемых комбинированных способов обеззараживания питьевой воды свидетельствует, что наилучшие перспективы в будущем имеют физико-химические способы, относящиеся к группе фотоокислительных технологий, и электрохимические способы, в частности воздействие НИЭР.
