Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

THE STUDY OF BACTERICIDAL ACTIVITY OF HYDROGEN PEROXIDE IN THE WASTEWATER

Research article
Drovovozova T.I.
Panenko N.N.
Kulakova E.S.
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.49.087
Issue: № 7 (49), 2016
Published:
2016/07/18
PDF

Дрововозова Т.И.1, Паненко Н.Н.2, Кулакова Е.С.3

1ORCID: 0000-0002-8724-7799, Доцент, Доктор технических наук, 2ORCID: 0000-0003-4426-7762, Ассистент, 3ORCID: 0000-0001-6778-1401, Кандидат технических наук, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

ИССЛЕДОВАНИЕ БАКТЕРИЦИДНОЙ АКТИВНОСТИ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В СТОЧНЫХ ВОДАХ

Аннотация

В работе представлены результаты исследования бактерицидной активности пероксида водорода с целью выявления эффективной концентрации и времени экспозиции в отношении санитарно-показательных микроорганизмов E.coli и общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерий, находящихся в сточных водах, прошедших очистку на биологических прудах.

Ключевые слова: очистка, сточная вода, пероксид водорода, микрофлора.

 Drovovozova T.I.1, Panenko N.N.2, Kulakova E.S.3

1ORCID: 0000-0002-8724-7799, Associate professor, PhD in Engineering, 2ORCID: 0000-0003-4426-7762, Assistant, 3ORCID: 0000-0001-6778-1401, PhD in Engineering, Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University

THE STUDY OF BACTERICIDAL ACTIVITY OF HYDROGEN PEROXIDE IN THE WASTEWATER

Abstract

The work presents the study results of bactericidal activity of hydrogen peroxide, with the aim to identifying the effective concentration and exposure time to sanitary-indicative microorganisms E. coli, and common coliform and thermo-tolerant coliform bacteria in wastewater, cleared in the biological ponds.

Keywords: water cleaning, wastewater, hydrogen peroxide, microflora.

В последнее время качественно изменился подход к решению проблемы охраны окружающей среды, неотъемлемой частью которой является охрана и рациональное использование водных ресурсов. Во многих официальных документах определён перечень неотложных задач, направленных на ослабление негативных с экологических и санитарно-гигиенических позиций последствий поступления в природные водоёмы недостаточно очищенных сточных вод. Среди них снижение доз препаратов, оказывающих неблагоприятное воздействие на природную среду и самого человека, особенно обладающих способностью образовывать канцерогены и мутагены в результате химической трансформации примесей воды.

Практика применения хлора в процессе обеззараживания, особенно сточных вод, характеризующихся высоким значением ХПК, а также исследования последних лет выявили ряд присущих ему серьезных недостатков, прежде всего, это образование в воде хлорорганических соединений, которые показывают высокие уровни генотоксической активности в отношении человека и живых организмов (тригалометаны, хлорбензол, хлорфенол, хлорамины, четыреххлористый углерод и целый ряд других). Многие из указанных соединений способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и по трофическим (пищевым) цепям попадать в организм человека. Хлорорганические соединения характеризуются высокой стойкостью к биодеструкции, и поэтому вызывают загрязнение рек на больших расстояниях вниз по течению. Так, например, в ряде штатов США повышенная токсичность следов остаточного хлора и хлораминов вызвала необходимость ограничить остаточную концентрацию хлора в сбросных водах до 0,1 мг/л [1,2].

Выше указанные доводы приводят к необходимости замены хлора на стадии обеззараживания на менее опасные окислители, не вызывающие появление в воде вторичных более опасных загрязнений.

Наиболее перспективным методом обеззараживания воды является УФ-облучение, высокоэффективное при обеззараживании от бактерий, вирусов и патогенных простейших, но в отличие от окислительных методов не вызывающее образование вторичных токсикантов. Применение УФ-излучения для обеззараживания очищенных сточных вод позволяет оптимально решать экологические проблемы.

Обеззараживающий эффект УФ-облучения выше, чем хлорирования и обеспечивает инактивацию как обычных патогенных вегетативных и споровых кишечных бактерий, так и вирусов, в частности, гепатита A и Е, полиомиелита и других.

Строящиеся и проектируемые в настоящее время за рубежом станции обеззараживания имеют плотность ультрафиолетового потока от 50 мДж/см2 до 100 мДж/см2. Только при таких нормативах ультрафиолетового потока происходит эффективная инактивация патогенной микрофлоры в системах водоочистки. Именно эти цифры были приведены практически во всех докладах 2-го Международного конгресса по ультрафиолетовым технологиям в июле 2003 года в г. Вене. При этом прозрачность водной среды должна быть не хуже 85 %, а количество взвешенных частиц не более 1 мг/л.

Качество воды во всех регионах (городах) России существенно хуже, чем приведённые выше параметры, а используемая ультрафиолетовая техника не способна обеспечить требуемых для инактивации доз ультрафиолетового излучения. Действующие в России плотности ультрафиолетового потока в 16-20 мДж/см2 для питьевой воды и 28-40 мДж/см2 для хозяйственно-бытовых и промышленных стоков не обеспечивают эффективной инактивации патогенной микрофлоры. Повышение доз УФ-облучения приводит к повышенному расходу электроэнергии, что значительно удорожает процесс очистки. Более того, необходимо учитывать повышение устойчивости микрофлоры к воздействию хлора и ультрафиолета.

Пероксид водорода Н2О2 относится к немногим окислителям, применение которого не сопровождается экологически вредными последствиями. Литературные данные и практический опыт применения пероксида в процессах водоподготовки и водоотведения показывает, что указанный препарат характеризуется рядом технологических преимуществ [3-12]: 1) возможность обработки вод в широком диапазоне значений концентрации, температуры и реакции среды (рН); 2) пероксиду водорода присуща высокая селективность окисления различных примесей, что, в свою очередь, позволяет минимизировать затраты на другие, подчас весьма дорогие, реагенты; 3) в отличие от многих других окислителей, пероксид водорода характеризуется стабильностью; 4) его практическое применение не требует сложного аппаратурного оформления (как, например, в случаях с хлором и ультрафиолетом). Наконец, следует отметить еще одно важное обстоятельство: остаточная концентрация пероксида водорода способствует протеканию процессов аэробной биологической очистки, а в природных водах Н2О2 в отличие от остаточного хлора, играет позитивную роль [12].

Исходя из вышеизложенного, целью работы являлось изучение бактерицидного эффекта пероксида водорода, как реагента для обеззараживания сточных вод Кадамовских очистных сооружений (КОС), расположенных в г. Новочеркасске Ростовской области.

С целью выяснения наиболее эффективной концентрации пероксида водорода при обеззараживании сточной воды с эколого-гигиенической точки зрения нами была изучена бактерицидная активность пероксида водорода в отношении санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов.

С этой целью были проведены две серии опытов. В первом случае, брали предварительно простерилизованную воду, в которую затем вносили санитарно-показательные микроорганизмы E.coli в количестве 1,2·104 кл/см3. Температура проб на всем протяжении опыта составила 20±1 oС. В пробы инфицированной воды вводили: 0,1; 0,2; 0,4; 0,7 и 1,0 г/л в пересчёте на чистый Н2О2 (соответственно 0,01; 0,02; 0,04; 0,07 и 0,1 %-ный растворы Н2О2). Время экспозиции составляло 120 мин. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1– Эффект обеззараживания воды при различных концентрациях пероксида водорода

28-06-2016 17-20-43

*  Nt – количество выживших в воде после обработки микроорганизмов, кл/см3;

   N0 – исходное количество микроорганизмов в инфицированной воде, кл/см3.  

Полученные результаты показывают, что увеличение концентрации Н2О2 в 2 раза по сравнению с 0,1 г/л увеличивает бактерицидный эффект более чем в 7,5 раз, увеличение в 4 раза – примерно в 8 раз, увеличение в 7 раз – более чем в 12 раз, а увеличение в 10 раз – в 20 раз.

Чем больше концентрация Н2О2, тем меньше требуется времени экспозиции для полной инактивации санитарно-показательных микроорганизмов, т.е. при концентрации Н2О2 0,7 г/л полная инактивация достигается при времени экспозиции 120 мин, а при 1,0 г/л - через 60 мин.

Таким образом, для достижения полной инактивации микроорганизмов в сточных водах необходимы более высокие концентрации, что вполне согласуется с работами [5,6, 13].

Поскольку микробиологическими показателями санитарного состояния сточных вод являются общие колиформные (ОКБ) и термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ), то второй серией опытов являлось изучение бактерицидной активности Н2О2 в различных концентрациях в отношении вышеуказанных микроорганизмов.

К общим колиформным бактериям (ОКБ) относят грамотрицательные не образующие спор палочки, не обладающие оксидазной активностью, способные расти на дифференциальных лактозных средах (типа Эндо). Термотолерантные колиформные бактерии входят в группу колиформных организмов, оказывают существенное влияние на качество воды. Они содержат также род Escherichia (E.Coli), Klebsiella, Enterobacter и Citrobacter. (Норматив ОКБ и ТКБ в сточных водах перед выпуском в водоём - 100 кл/см3) [14].

С этой целью в сточную воду, отобранную после биологических прудов, вносили раствор пероксида водорода в концентрациях 0,15; 0,3; 0,45; 1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 г/л в пересчёте на чистый Н2О2 (соответственно: 0,015; 0,03; 0,045; 0,15; 0,3; 0,45 и 0,6 %-ный растворы Н2О2). Исходное содержание ОКБ в сточной воде (N0) составило 5,07∙108, ТКБ - 4,97∙107 кл/см3.

В первой серии опытов в пробы сточной воды вносили, соответственно: 0,15, 0,3 и 0,45 г/л в пересчёте на чистый Н2О2. Время экспозиции 10 мин. Температура проб на всем протяжении опыта составила 20±1 oС. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Таблица 2 – Бактериологические показатели, после введения в сточную воду пероксида водорода различной концентрации

28-06-2016 17-22-59

* К – глубина обеззараживания реагента, определяемая по формуле: K=lg(28-06-2016 17-24-27)

Результаты исследований показали низкую эффективность пероксида водорода в изучаемых концентрациях в отношении ОКБ и ТКБ и указали на необходимость увеличения времени экспозиции. В связи с этим, во второй серии опытов был изучен бактерицидный эффект пероксида в концентрациях, соответственно: 1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 г Н2О2/л и бактерицидное последействие вышеуказанных концентраций. С целью достижения требуемого эффекта время экспозиции увеличили до 60 мин. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Бактериологические показатели, после введения в сточную воду пероксида водорода различной концентрации

28-06-2016 17-25-45

Повышение концентрации Н2О2 в 10 раз (для концентрации 4,5 гН2О2/л) по сравнению с предыдущим опытом и увеличение времени экспозиции до 60 мин показало снижение количества ОКБ и ТКБ в сточной воде в 10 раз. Для концентрации 6,0 гН2О2/л уже через час достигается полная инактивация ОКБ и ТКБ.

Таким образом, эффективная концентрация, позволяющая достигнуть достаточной инактивации патогенной микрофлоры в сточной воде с учётом норматива, находится в интервале 4,5 – 6,0 гН2О2 /л.

При определении бактерицидного последействия изучали микробиологическое состояние проб, обработанных пероксидом, через 2, 24 и 48 часов. Результаты исследований показали, что полная инактивация микроорганизмов во всех пробах (1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 гН2О2/л) достигается через 2 часа, достигнутый эффект во всех пробах сточных вод сохраняется в течение 2 суток.

Проведённые исследования позволили сделать следующие выводы:

- для достижения требуемого бактерицидного эффекта в отношении санитарно-показательных микроорганизмов E.coli при времени экспозиции 60 мин эффективной концентрацией пероксида является 1,0 гН2О2/л; увеличение времени экспозиции до 120 мин показывает эффективность концентрации пероксида в 0,7 г/л;

- для достижения требуемой инактивации патогенной микрофлоры в сточной воде (ОКБ и ТКБ) эффективная концентрация достигает 6,0 г Н2О2 /л при времени экспозиции 60 мин;

- увеличение времени экспозиции до 120 мин позволяет получить требуемый эффект обеззараживания общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерий уже при концентрации 1,5 гН2О2/л, одновременно с этим, будет достигнут норматив и по коли-индексу;

- таким образом, снижение дозы реагента может быть достигнуто за счет увеличения времени экспозиции.

Литература

  1. Федоров, Л. А. Диоксины в питьевой воде / Химия и жизнь, № 1, 2009 Режим доступа: http://chemistryandchemists.narod.ru
  2. Федоров, Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы – Москва: ВО "Наука", 1993. 238 с.
  3. Н2О2. Peroxyde d’hydrogene: Porte par Ca vague ecoloque [Text]// Inf. Chim. – 1991. - № 334. – P. 134 – 144.
  4. Механизмы бактерицидного действия перекиси водорода [Текст]/Н.И. Самойленко, Е.И. Васильева, И.Б. Павлова [и др.] // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. – 1983. - № 2. – С. 30 – 33.
  5. Cantoni, O. Molecular mechanisms of hydrogen peroxide cytotoxicity [Text]/ O. Cantoni, G. Вrandi, L. Salvaggio // Ann. Inst. Super Sanita. – 1989. – V. 25. - № 1. – P. 69 – 73.
  6. Изучение aнтимикробного действия пероксида водорода в присутствии различных металлов [Текст]/Н.Г. Потапченко, В.В. Илляшенко, В.Н. Косинова [и др.] // Химия и технология воды. – 1994. – Т. 16. - № 2. – С. 203 – 209.
  7. Гигиеническое изучение качества питьевой воды, обеззараживаемой перекисью водорода [Текст]/Н.В. Миронец, Р.В. Савина, П.П. Власова [и др.]// Гигиена и санитария. – 1984. - № 3. – С. 86 – 87.
  8. Селюков, А.В. Использование пероксида водорода в технологии физико-химической очистки промышленных сточных вод [Текст]/А.В. Селюков, А.И. Тринко// Экол. химия водной среды: материалы II Всесоюз. школы (Ереван, 11–14 мая 1988 г.) / под. ред. Ю.И. Скурлатова. - М.: - ИХФ АН СССР, 1988.
  9. Селюков, А.В. Применение экологически чистых окислителей для очистки сточных вод[Текст]/А.В. Селюков, С.Н. Бурсова, А.И. Тринко// обзор. информ./ ВНИИ НТПИ. – М., 1990. – С. 12-13.
  10. Hairston, D. Astarring role for hydrogen peroxyde [Text]// Chemistry Engineering (USA). – 1995. – V. 102. - № 7.
  11. Slater, D. Depollution des efflunents du traitement de surfaces parie e peroxyde d'hydrogene [Text]/D. Slater, N. De Roffignac // Eau, ind., nuiasances. – 1995. - № 186.
  12. Скурлатов, Ю.И. Определяющая роль окислительно-восстановительных процессов в формировании качества природной водной среды [Текст] // Успехи химии. – 1991. – Т. 60, - № 3. – С. 140-142.
  13. Пероксид водорода в технологиях обеззараживания воды: эколого-экономический аспект: монография / И.А. Денисова, Т.И. Дрововозова, Н.В. Ляшенко [и др.]; под ред. В.В. Денисова - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2011. – 150 с.
  14. Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод : метод. указания МУ 2.1.5.800-99 Минздрав России. М, 2000. 13 с.

References

  1. Fedorov, L. A. Dioksiny v pit'evoj vode / Himija i zhizn', № 1, 2009 Rezhim dostupa: http://chemistryandchemists.narod.ru
  2. Fedorov, L.A. Dioksiny kak jekologicheskaja opasnost': retrospektiva i perspektivy – Moskva: VO "Nauka", 1993. 238 s.
  3. N2O2. Peroxyde d’hydrogene: Porte par Ca vague ecoloque [Text]// Inf. Chim. – 1991. - № 334. – P. 134 – 144.
  4. Mehanizmy baktericidnogo dejstvija perekisi vodoroda [Tekst]/N.I. Samojlenko, E.I. Vasil'eva, I.B. Pavlova [i dr.] // Zhurnal mikrobiologii, jepidemiologii i immunologii. – 1983. - № 2. – S. 30 – 33.
  5. Cantoni, O. Molecular mechanisms of hydrogen peroxide cytotoxicity [Text]/ O. Cantoni, G. Vrandi, L. Salvaggio // Ann. Inst. Super Sanita. – 1989. – V. 25. - № 1. – P. 69 – 73.
  6. Izuchenie antimikrobnogo dejstvija peroksida vodoroda v prisut-stvii razlichnyh metallov [Tekst]/N.G. Potapchenko, V.V. Illjashenko, V.N. Kosinova [i dr.] // Himija i tehnologija vody. – 1994. – T. 16. - № 2. – S. 203 – 209.
  7. Gigienicheskoe izuchenie kachestva pit'evoj vody, obezzarazhivae-moj perekis'ju vodoroda [Tekst]/N.V. Mironec, R.V. Savina, P.P. Vlasova [i dr.]// Gigiena i sanitarija. – 1984. - № 3. – S. 86 – 87.
  8. Seljukov, A.V. Ispol'zovanie peroksida vodoroda v tehnologii fiziko-himicheskoj ochistki promyshlennyh stochnyh vod [Tekst]/A.V. Seljukov, A.I. Trinko// Jekol. himija vodnoj sredy: materialy II Vsesojuz. shkoly (Erevan, 11–14 maja 1988 g.) / pod. red. Ju.I. Skurlatova. - M.: - IHF AN SSSR, 1988.
  9. Seljukov, A.V. Primenenie jekologicheski chistyh okislitelej dlja ochistki stochnyh vod[Tekst]/A.V. Seljukov, S.N. Bursova, A.I. Trinko// obzor. inform./ VNII NTPI. – M., 1990. – S. 12-13.
  10. Hairston, D. Astarring role for hydrogen peroxyde [Text]// Chemistry Engineering (USA). – 1995. – V. 102. - № 7.
  11. Slater, D. Depollution des efflunents du traitement de surfaces parie e peroxyde d'hydrogene [Text]/D. Slater, N. De Roffignac // Eau, ind., nuiasances. – 1995. - № 186.
  12. Skurlatov, Ju.I. Opredeljajushhaja rol' okislitel'no-vosstanovitel'nyh processov v formirovanii kachestva prirodnoj vodnoj sredy [Tekst] // Uspehi himii. – 1991. – T. 60, - № 3. – S. 140-142.
  13. Peroksid vodoroda v tehnologijah obezzarazhivanija vody: jekologo-jekonomicheskij aspekt: monografija / I.A. Denisova, T.I. Drovovozova, N.V. Ljashenko [i dr.]; pod red. V.V. Denisova - Novocherkassk: UPC «Nabla» JuRGTU (NPI), 2011. – 150 s.
  14. Organizacija gossanjepidnadzora za obezzarazhivaniem stochnyh vod : metod. ukazanija MU 2.1.5.800-99 Minzdrav Rossii. M, 2000. 13 s.