IMPROVING THE EFFICIENCY OF NATURAL WATER DISINFECTION FOR DRINKING WATER SUPPLY PURPOSES

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Научная статья

Ляшенко Н.В.¹, Лепихова В.А.², Новикова Д.А.^3, *, Андреева А.Н.⁴, Шумская И.Ю.⁵, Яхонова Д.В.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-9041-7998;

² ORCID: 0000-0001-7765-8917;

³ ORCID: 0000-0002-4316-4932;

^1-6 Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия

* Корреспондирующий автор (diananovikova3773[at]gmail.com)

Аннотация

В статье рассмотрены преимущества и недостатки использования в качестве дезинфектанта хлорных препаратов. Приведены данные динамики качества воды из водопроводов центральной системы хозяйственно-питьевого водоснабжения города Новочеркасска в 2018-2020 гг. Предложено применительно к системе питьевого водоснабжение для достижения гигиенических нормативов по микробиологическим показателям сочетать хлорные препараты с ионными. Приведены данные исследований, показывающие, что применение комбинированного дезинфектанта позволяет интенсифицировать процесс обеззараживания при одновременном снижении дозы бактерицидного препарата по активному хлору и пролонгировать его действие в широком диапазоне температур и водородного показателя.

Ключевые слова: питьевое водоснабжение, обеззараживание, дезинфектанты.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF NATURAL WATER DISINFECTION FOR DRINKING WATER SUPPLY PURPOSES

Research article

Lyashenko N.V.¹, Lepikhova V.A.²,Novikova D.A.^3, *, Andreeva A.N.⁴, Shumskaya I.Yu.⁵, Yakhonova D.V.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-9041-7998;

² ORCID: 0000-0001-7765-8917;

³ ORCID: 0000-0002-4316-4932;

^1-6 Platov South-Russian State Polytechnic University , Novocherkassk, Russia

* Corresponding author (diananovikova3773[at]gmail.com)

Abstract

The article discusses the advantages and disadvantages of using chlorine preparations as a disinfectant. The authors present data on the dynamics of water quality from the water pipes of the central system of utility and drinking water supply of the city of Novocherkassk in the period from 2018 to 2020. It is proposed to combine chlorine preparations with ionic ones in relation to the drinking water supply system in order to achieve hygienic standards for microbiological indicators. The study presents research data showing that the use of a combined disinfectant allows for intensifying the disinfection process while reducing the dose of the bactericidal preparation for active chlorine and prolonging its effect over a wide range of temperatures and hydrogen index.

Keywords: drinking water supply, disinfection, disinfectants.

Введение

Обеспечение населения качественной питьевой водой является проблемой, актуальность которой с каждым годом только возрастает. Особенно остро стоит вопрос создания безопасного в эпидемиологическом отношении продукта [1]. К основным критериям выбора методов обеззараживания воды относятся эффективность и пролонгированность действия дезинфектанта, а также безопасность его применения.

Для целей обеззараживания природных вод в системе питьевого водоснабжения нашли применение химические препараты и воздействия физического характера, а также их комбинации. Эффективность окислительных и дезинфицирующих свойств и длительное пролонгированное действие сделало во всем мире хлор в различных формах основным средством дезинфекции в системах водоподготовки [2], [3]. В этой связи наиболее распространенным дезинфектантом в системах водоснабжения населенных пунктов России и мира длительное время являлся жидкий хлор.

Практика применения жидкого хлора в качестве окислителя-дезинфектанта выявила его опасность для биотической составляющей окружающей среды при развитии масштабных аварийных ситуаций, связанных с выбросом или утечкой при производстве, транспортировке и применении [4], [5]. Данное обстоятельство привело к тенденции перевода станций водоподготовки на менее экологически опасные хлорные препараты, в первую очередь, гипохлорит натрия, получаемый путем электролиза.

Примером перевода водопроводных станций с жидкого хлора на гипохлорит натрия является реконструкция очистных сооружений водопровода (ОСВ-1) в г. Новочеркасске, проведенная в 2010 году. В рамках реализации проекта было внедрено получение водного раствора гипохлорита натрия (ГХН) путем электролиза раствора хлорида натрия на установке «ХЛОРЭФС» УГ-25МК-100 и применения его в качестве дезинфицирующего реагента [6].

Модернизация ОСВ-1 позволила уйти от опасного хлорного реагента, но не дала гарантии качества питьевой воды у конечного потребителя. По данным Управления Роспотребнадзора по Ростовской области процент проб питьевой воды, не соответствующей гигиеническим нормативам в 2020 году по санитарно-химическим показателям увеличился в 2,2 раза и составил 9,8 % (2019 год – 4,45 %). Процент проб питьевой воды, не соответствующей гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям в 2020 году увеличился в 2,9 раза и составил 15,25 % (2018 год – 5,25 %) [7]. Данные динамики качества воды из водопроводов центральной системы хозяйственно-питьевого водоснабжения (ЦСХПВ) города Новочеркасска в 2018-2020 гг. представлены в табл.1.

 

Таблица 1 – Динамика качества питьевой воды из ЦСХПВ водопроводов города Новочеркасска (процент проб воды, не отвечающей гигиеническим нормативам) в 2018-2020 годах

Место водоразбора и наименование группы показателей	Годы, %
	2018	2019	2020
Санитарно-химические
на выходе из ВОС перед подачей питьевой воды в водопроводную распределительную сеть	35,63	16,52	22,33
в распределительной водопроводной сети (РС)	2,8	5,9	5,4
сумма (ВОС+РС)	19,08	4,45	9,8
Микробиологические
на выходе из ВОС перед подачей питьевой воды в водопроводную распределительную сеть	14	4,76	10,4
в распределительной водопроводной сети (РС)	16,35	5,33	16,04
сумма (ВОС+РС)	16,11	5,25	15,25

 

По данным мониторинга в городе Новочеркасске в 2020 году питьевая вода не соответствовала гигиеническим нормативам по показателю «остаточный хлор» 2,1 % процент нестандартных проб. Питьевую воду централизованных систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, не отвечающую гигиеническим нормативам по содержанию остаточного хлора, употребляло в 2020 году 440 человек.

Вышеуказанные обстоятельства создают необходимость поиска путей для повышения бактерицидных свойств гипохлорит натрия при одновременном снижении дозы дезинфектанта.

Основная часть

Необходимо отметить, что при хранении водного раствора ГХН его бактерицидная активность снижается. Данный эффект наблюдается и при изменении температуры. Данные обстоятельства не всегда позволяют обеспечить надлежащее качество питьевой воды в гигиеническом отношении. Так же на снижение качества поставляемой потребителям воды оказывают протяженные распределительные сети с высокой степенью износа и не высокой бактериостатичности ГХН. Все это приводит к необходимости повышение дозы препарата, что приводит к накапливанию вредных соединений.

Повысить дезинфицирующие свойства и бактериостатичность ГХН при неблагоприятных условиях предлагается путем сочетания с другими химическими препаратами. Ряд исследований выявило, что ионы двухвалентной меди обладают относительно высокой бактерицидной активностью и устойчивостью к изменению температурного режима и реакции среды [8].

Для целей исследования приготовление раствора ГХН проводилось с использованием электрохимической установки, описанной в [9]. Получение растворов, содержащих ионы Сu (II), готовились при помощи ионатора, описанного в [10]. Оценка бактерицидных свойств дезинфицирующих препаратов осуществлялась по коли-индексу в отношении тест-культур E. coli - штамм 1257 с начальным содержанием [10].

Результаты исследований влияния температуры и времени контакта на бактерицидные свойства ионного дезинфектанта Сu (0,5 мг/л) с начальным содержанием тест-объекта 1E+4 кл/л представлены на рис.1.

Рис. 1 – Бактерицидная активность ионного дезинфектанта от температуры

Анализ полученных данных показывает, что увеличение температуры приводит к росту скорости дезинфекции ионным препаратом.

Интерес представляет возможность комбинации ГХН и ионного дезинфектанта с целью снижения дозы гипохлорита. На рис.2 представлены результаты исследования бактерицидной активности раствора ГХН с различным содержанием активного хлора (а.х.) индивидуально и в сочетании с ионами Сu (II) с начальным содержанием тест-объекта 1E+6 кл/л при различном времени воздействия.

Рис. 2 – Бактерицидная активность ГХН индивидуально и в сочетании с ионами Сu (II)

 

Влияние водородного показателя на бактерицидную активность раствора ГХН индивидуально и в сочетании с ионами Сu (II) с начальным содержанием тест-объекта 1E+6 кл/л при температуре 20 градусов и временем контакта 0,5 часа представлено на рис.3.

Рис. 3 – Бактерицидная активность от pH

 

Анализ бактерицидной активности комбинированного дезинфектанта (1,0 мг/л а.х. + 0,5 мг/л Cu(2+)) с начальным содержанием тест-объекта 1E+3 кл/л при температуре 30 градусов с дополнительным инфицированием на 5-е сутки, имитирующем вторичное загрязнение при транспортировке воды представлен на рис.4.

Рис. 4 – Бактериостатичность комбинированного препарата

 

Полученные результаты свидетельствуют, что применение комбинированного препарата позволяет повысить эффективность процесса обеззараживания за счет повышения бактериостатичности даже при высоких температурах.

Заключение

Представлен анализ бактерицидных свойств хлорных препаратов и ионного дезинфектанта Сu (II). Приведенные данные проведенных исследований подтверждают, что совместное использование с ионным препаратом ГХН показывает повышение бактерицидных свойств даже при снижении его дозы. Применение комбинированного дезинфектанта для обеззараживания в системе питьевого водоснабжения, позволит достичь в ЦСХПВ гигиенических нормативов по микробиологическим показателям и «остаточному хлору».

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Kanakoudis V. Potable water security assessment – a review on monitoring, modelling and optimization techniques, applied to water distribution networks / V. Kanakoudis, S. Tsitsifli // Desalination and Water Treatment. – December 2017. – Vol. 99. – P. 18-26. DOI:10.5004/dwt.2017.21784
2. Mohseni M. Chlorination of drinking water – scientific evidence and policy implications / M. Mohseni, E.A. McBean, M.J. Rodriguez // Global Issues in Water Policy. –2017. – Vol. 17. – P. 357-373. DOI:10.1007/978-3-319-42806-2_19
3. Kastl G. Chlorine in the water treatment system / G. Kastl, I. Fisher, F. Sathasivan // Process Safety and Environmental Protection- November 2017. – Vol.112. – P. 265-273. DOI:10.1016/j.psep.2017.06.005
4. Ляшенко Н. В. Анализ последствий и оценка социально-экономического ущерба при аварийных ситуациях с хлором, используемым для обеззараживания природных вод (на примере г. Новочеркасска): монография / Н. В. Ляшенко // Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск, 2007. – 57 с.
5. Макотрина Л.В. Влияние обеззараживания питьевой воды хлором на здоровье человека / Л.В. Макотрина, А.С. Зверькова // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. – 2011.-№1. – С. 87-94.
6. Фесенко Л. Н. Обеспечение безотходности и экологичности технологии производства гипохлорита натрия на установках "Хлорэфс" / Л. Н. Фесенко, С. И. Игнатенко, А. Ю. Скрябин и др. // Водоснабжение и санитарная техника. – 2011. – № 8. – С. 25-29.
7. Доклад о состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения Ростовской области в 2020 году // Управления Роспотребнадзора по Ростовской области. – 2021. – 198 с.
8. Song Y. Natural organic matter, orthophosphate, pH, and growth phase can limit copper antimicrobial efficacy for legionella in drinking water / Y. Song, A. Pruden, M. A. Edwards et al. // Environmental Science and Technology. – February 2021. – Vol. 55(3). – P. 1759-1768. DOI:10.1021/acs.est.0c06804
9. Ажгиревич А. И. Возможные пути повышения эффективности использования хлорсодержащих дезинфектантов в технологиях биоцидной обработки воды / А. И. Ажгиревич // Проблемы региональной экологии. – 2018. – № 4. – С. 128-133. – DOI24411/1728-323X-2018-14128
10. Ляшенко Н. В. Пути повышения безопасности систем водоснабжения в населенных пунктах / Н. В. Ляшенко // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. – 2009. – № 1-21. – С. 68-71.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kanakoudis V. Potable water security assessment – a review on monitoring, modelling and optimization techniques, applied to water distribution networks / V. Kanakoudis, S. Tsitsifli // Desalination and Water Treatment. – December 2017. – Vol. 99. – P. 18-26. DOI:10.5004/dwt.2017.21784
2. Mohseni M. Chlorination of drinking water – scientific evidence and policy implications / M. Mohseni, E.A. McBean, M.J. Rodriguez // Global Issues in Water Policy. –2017. – Vol. 17. – P. 357-373. DOI:10.1007/978-3-319-42806-2_19
3. Kastl G. Chlorine in the water treatment system / G. Kastl, I. Fisher, F. Sathasivan // Process Safety and Environmental Protection- November 2017. – Vol.112. – P. 265-273. DOI:10.1016/j.psep.2017.06.005
4. Lyashenko N. V. Analiz posledstvij i ocenka social'no-jekonomicheskogo ushherba pri avarijnyh situacijah s hlorom, ispol'zuemym dlja obezzarazhivanija prirodnyh vod (na primere g. Novocherkasska) : monografija [Analysis of the consequences and assessment of socio-economic damage in emergency situations with chlorine used for the disinfection of natural waters (for example, Novocherkassk): monograph] / N. V. Lyashenko // South-Russian State Polytechnic University (NPI). – Novocherkassk, 2007. – 57 p. [in Russian]
5. Makotrina L.V. Vlijanie obezzarazhivanija pit'evoj vody hlorom na zdorov'e cheloveka [The effect of disinfection of drinking water with chlorine on human health] / L.V. Makotrina, A.S. Zverkova // Izvestija vuzov. Investicii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [News of universities. Investment. Construction. Realty]. - 2011.-No. 1. - pp. 87-94.
6. Fesenko L.N. Obespechenie bezothodnosti i jekologichnosti tehnologii proizvodstva gipohlorita natrija na ustanovkah "Hlorjefs" [Ensuring of wastelessness and ecological compatibility of technology of sodium hypochlorite at the Chlorefs units] / L. N. Fesenko, S. I. Ignatenko, A. Yu. Skryabin et al. // Water Supply and Sanitary Technique. – 2011. – № 8. – P. 25-29. [in Russian]
7. Doklad o sostojanii sanitarno-jepidemiologicheskogo blagopoluchija naselenija Rostovskoj oblasti v 2020 godu [Report on the state of sanitary and epidemiological well-being of the population of the Rostov region in 2020] // Rospotrebnadzor Administration for the Rostov Region. – 2021. – 198 p. [in Russian]
8. Song Y. Natural organic matter, orthophosphate, pH, and growth phase can limit copper antimicrobial efficacy for legionella in drinking water / Y. Song, A. Pruden, M. A. Edwards et al. // Environmental Science and Technology. – February 2021. – Vol. 55(3). – P. 1759-1768. DOI:10.1021/acs.est.0c06804
9. Azhgirevich A. I. Vozmozhnye puti povyshenija jeffektivnosti ispol'zovanija hlorsoderzhashhih dezinfektantov v tehnologijah biocidnoj obrabotki vody [Possible ways of the increase in efficiency of the use of chlorine-containing disinfectants in technologies of biocidal water processing] / A. I. Azhgirevich // Regional Environmental Issues. – 2018. – № 4. – P. 128-133. – DOI 10.24411/1728-323X-2018-14128 [in Russian]
10. Lyashenko N.V. Puti povyshenija bezopasnosti sistem vodosnabzhenija v naselennyh punktah [Ways of increase of safety of systems of water supply to settlements] / N. V. Lyashenko // Bulletin of the Oryol State Technical University. Series: Construction and transport. – 2009. – № 1-21. – P. 68-71. [in Russian]