Создание портативных индивидуальных устройств для очистки и обеззараживания воды в полевых условиях

Актуальность темы

Среди значительного числа проблем, связанных с обеспечением нормальной жизнедеятельности и работоспособности малых коллективов людей (геологов, строителей, лесоразработчиков, охотников, туристов и т. дХ вынужденных длительное время находиться в отрыве от населенных пунктов, одной из наиболее важных является проблема обеспечения их доброкачественной питьевой водой. Особенно актуальна эта проблема для воинских контингентов при полевом размещении войск, когда возникает необходимость пользоваться водой непроверенных поверхностных водоисточников (река, пруд, болото, арык и т. д.).

Несомненную актуальность имеет проблема обеспечения безопасной питьевой водой и в других экстремальных условиях: при стихийных бедствиях (землетрясениях, наводнениях и т. д.) и в случае войны при применении противником оружия массового поражения, в результате чего возможно заражение питьевой воды радионуклидами, отравляющими веществами и продуктами их разложения, а также бактериями, вирусами и токсинами.

В литературе приводятся многочисленные сведения о высокой степени биологического и химического загрязнения поверхностных водоемов даже вдали от населенных пунктов. Нередко вода поверхностных водоемов по санитарно-химическим и микробиологическим показателям приближается к сточным водам [3,13,14,1719,23,44,47,52,53,56,61,68,74,81,84,].

В воде рек, озер, прудов средней полосы России бактерии группы кишечной палочки обнаруживаются в концентрации 104−105 м. кл. в 1 л, а ОМЧ превышает 130 — 150 м. кл. в 1 мл, что является четким указанием на загрязнение этих водоемов патогенной микрофлорой.

Эти показатели могут быть еще выше в южных регионах (арыки^ кананалы, оросительные системы и т. д.): концентрация БГКП достигает 106 м.кл./л, ОМЧ -105 м. кп./мл. Многие болезнетворные микроорганизмы при этом не только длительное время остаются живыми в воде и сохраняют способность вызывать инфекционное заболевание, но могут размножаться и продуцировать токсины [ 5,7,57,58,59,68,72,].

Столь высокая обсемененность поверхностных питьевых источников является причиной того, что, по данным Всемирной организации здравоохранения, около 80% острых кишечных инфекций в мире обусловлены контактом с инфицированной водой или нарушением санитарно-гигиенических норм при использовании ее в процессе жизнедеятельности [7,36,70].

Вода природных источников,. используемая для питья и подвергаемая в полевых условиях очистке и обеззараживанию, практически не нормируется ни по одному показателю: физическому, химическому и бактериологическому. Эффективная очистка и обеззараживание воды природных источников до показателей доброкачественной питьевой воды могут быть достигнуты, как правило, лишь при использовании комбинации различных методов очистки и обеззараживания, что имеет место при промышленных методах подготовки воды для питьевого водоснабжения [20,22,30].

В связи с этим основной задачей портативных индивидуальных устройств для очистки и обеззараживания воды является доведение природной воды до показателей, соответствующих такому ее качественному составу, который не нарушал бы нормального функционирования организма человека. Согласно [85−87], это означает, что питьевая вода не должна содержать взвеси, коллоиды, планктон, патогенные микроорганизмы, бактерии, вирусы, токсичные органические и неорганические вещества.

Попытки разработать такие портативные индивидуальные устройства для обеззараживания и очистки воды в полевых условиях предпринимались с начала XX века[11 ], В период русско-японской войны и до конца 70-х годов основной формой портативных индивидуальных средств обеззараживания воды являлись таблетки, содержащие различные химические дезинфектанты (на основе соединений хлора, перманганата калия и др.)[1,2,50,55]. Таблетированные формы как средство для обеззаражиания воды достаточно успешно зарекомендовали себя в период Великой Отечественной войны и в послевоенное время[50]. Однако ряд присущих таблеточным средствам обеззараживания недостатков: длительность обеззараживания, неудовлетворительные органолептические и физико-химические показатели обезза-ра-женной с их помощью воды, возможность образования высокотоксичных соединений [51,60,62,64−66,75,81] резко ограничивал область их практического применения.

В 70-е годы появились портативные индивидуальные устройства, в основу действия которых был заложен безреагентный принцип очистки и обеззараживания воды путем ее фильтрации и (или) сорбции. Такие устройства могли эффективно очищать воду от взвешенных частиц, в том числе от бактерий, простейших, яиц гельминтов, но не очищали ее от вирусов и микробных токсинов. Кроме того, к недостаткам таких ПИУ следует отнести малый ресурс и возникавший при эксплуатации большой перепад давления на входе и выходе устройства. Поэтому такие устройства не нашли широкого практического применения.

В последние годы появилось новое поколение портативных индивидуальных устройств, основанных на комбинированном (реагентно-безреагентном) принципе очистки и обеззараживания воды. С помощью таких устройств сначала осуществляется грубая очистка воды от взвешенных частиц,.затем ее обеззараживание с помощью химического дезинфектанта, и, на завершающем этапе — очистка с целью освобождения воды от мелких взвешенных частиц, избытка дезинфектанта и посторонних запахов и привкусов.

Вместе с тем такие устройства имели сравнительно небольшой ресурс и не гарантировали обеззараживание воды от патогенных бактерий.

До постановки настоящей работы отечественные портативные индивидуальные устройства с комбинированным принципом обеззараживания и очистки не разрабатывались и не производились. Не были разработаны и научно-методические основы технолого-гигиенической оценки таких устройств.

Основой для проведения настоящих исследований явилось решение Государственной Комиссии Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам от 14.02.85 № 48−6.

Цель работы — создать портативные индивидуальные устройства (ПИУ)^ обеспечивающие защиту организма от химических и биологических загрязнений при потреблении им пресной природной воды в полевых условиях.

Задачи исследования:

1. Выявить специфику физико-химических условий обеззараживания воды в высокодинамических условиях ее фильтрации .

2. Изучить физико-химические и биоцидные свойства сильноосновных анионо-обменных смол с олигойодидными анионами.

3. Изучить физико-химические и биоцидные свойства серебросодержащих катионообменных смол с олигойодидными анионами.

4. Исследовать физические процессы сорбции низкомолекулярных веществ активными углями различной структуры в высокодинамическом режиме фильтрации воды.

5. Разработать компонентные составы и конструктивные решения ПИУ и определить их функциональные параметры.

6. Определить основные технолого-гигиенические аспекты функционирования ПИУ.

Научная новизна.

1. Выявлена специфика физико-химических условий обеззараживания и очистки воды ПИУ комбинированного действия., заключающаяся в крайне малых временах контакта дезинфектанта с микроорганизмами, не превышающими 6−10 е., и в высоких линейных скоростях прохождения очищаемой воды через сорбирующие наполнители, составляющие 50−70 м/час.

2. Показано, что в высокодинамическом режиме фильтрации воды концентрация йода" выделяемого анионообменными смолами с олигойодидными анионами, зависит от их гранулометрического состава, соотношения объема смолы к скорости потока воды и от температуры воды.

3. Установлено, что ионы серебра, выделяемые в воду макропористым серебро-содержащим катионитом, активизируют процесс дезинфекции^ способствуя генерации высокоэффективного дезинфицирующего вещества — катионов йода.

4. Показано, что в процессах сорбции низкомолекулярных веществ активными углями различной структуры одним из факторов, повышающих эффективность очистки воды в высокодинамическом режиме фильтрации воды, является конвективный перенос сорбата.

5. Установлено, что оптимальной является конструкция ПИУ в виде трубчатого корпуса с размещенными в нем слоями наполнителей в последовательности по ходу движения воды, обеспечивающими: первый слой — предварительную очистку (активный уголь или активированный материал типа AHM) — второй слой — основное обеззараживание (йодсодержащая смола марки СИА или марки МЕТИС) — третий слой — основную очистку (активированный уголь марки АА или СКН-Т, или F-400) — четвертый слой — окончательное обеззараживание (катионит серебросодержащий марки КУ-23 СМ) — мундштука и защитного колпачка.

6. Разработан и научно обоснован алгоритм технолого-гигиенической оценки безопасности и эффективности ПИУ как средства очистки воды.

Практическая значимость.

1. Разработаны компонентный состав и конструкция ПИУ комбинированного принципа действия.

2. Предложен и научно обоснован алгоритм технолого-гигиенической оценки ПИУ, как средства очистки воды для питья.

3.На основании разработанных конструкции и подходов к обеззараживанию и очистки воды в высокодинамическом режиме разработаны и получили практическое внедрение ПИУ типа «Родник» (ТУ 64−2-374−86), серийно выпускавшиеся на Харьковском ПО «Стома» с 1986 г по 1994 г. и «БИП-1» (ТУ 3441−009−1 809 591 794), серийно выпускаемые АОЗТ «МЕТТЭМТехнологии». ПИУ «Родник» принят на снабжение Советской Армией и Военно-Морским Флотом 11.12.1986 г. Подтвержденный экономический эффект от применения в 1987 г. ПИУ «Родник» ограниченным контингентом советских войск в Республике Афганистан составил 5,2 млн руб. Разработка ПИУ «Родник» отмечена Премией СМ СССР в 1989 г. Технолого-гигиени-ческие аспекты работы нашли отражение в ГОСТ Р № РОСС RU.0001.11 «Правила сертификации водоочистных устройств» (1995 г.) и проекте ТСН МУ-97 МО «Методические указания (регламент) по сертификации водоочистного оборудования индивидуального (бытового), и коллективного пользования систем водоснабжения и водоотведения территории Московской области» (1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 20 печатных работ^ в том числе 17 на международном уровне и в центральной печати.

Апробация работы. Диссертация обсуждена и одобрена на апробационной комиссии НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН (1997 г.), ее разделы доложены на Всесоюзных научно-технических совещаниях «Очистка природных и сточных вод» (1994 г.) и «Обеззараживание питьевых вод» (1989 г.), на Международных семинарах «Вода, которую мы пьем» (1995 г.) и «Problems of drinking water supply and means of its solution» (1996 г.), на l-ом и ll-ом Международных конгрессах «Водаэкология и технология» (1994,. 1996 г. г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

— Специфика физико-химических условий обеззараживания и очистки воды ПИУ комбинированного принципа действия,. заключающаяся в крайне малых временах контакта дезинфектанта с микроорганизмами, не превышающие 6−10 е., и в высоких линейных скоростях прохождения очищаемой воды через сорбирующие наполнители таких водоочистителей, составляющие 50−70 м/час.

— Закономерности выделения йода сильноосновными анионообменными смолами с олигойодидными анионами от их гранулометрического состава^ соотношения объема смолы к скорости потока воды и от температуры воды.

— Существенный вклад конвективного переноса сорбата в эффективность сорб-ционных процессов очистки воды в высокодинамическом режиме фильтрации воды.

— Оптимизированная блок-схема ПИУ, включающая предварительную очистку, основное обеззараживание, основную очистку и окончательное обеззараживание.

— Алгоритм технолого-гигиенической оценки ПИУ, как средства обеззараживания и очистки воды по критериям их безопасности и эффективности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Специфика физико-химических процессов обеззараживания и очистки воды в высокодинамического условиях ее фильтрации (при скорости не менее (100±10) мл/мин.). в ПИУ комбинированного принципа действия характеризу-ется малыми временами контакта дезинфектанта с микроорганизмами (не пре-вышающих 6 -10 с) и высокими линейными скоростями прохождения очи-щаемой воды через сорбирующие наполнители таких устройств (50−70) м/час.

2. Установлены основные количественные закономерности йодовыделения йод содержащими анионообменными смоломи гелевой структуры, закпючаю-щиеся в том, что в высокодинамическом режиме прохождения черех них воды концентрация выделяемого смолой в воду. йода зависит в приоритетном поряд-ке от: гранулометрического состава СИА, соотношения объема смолы к ско-рости потока воды и температуры воды.

3. Установлена существенная роль катионов серебра, выделяемых в воду серебросодержащим катионитом КУ-23 СМ, в генерации катионов йода и усилении эффекта обеззараживания воды при высоких скоростях ее прохож-дения через ПИУ.

4. На основании изучения физико-химических процессов сорбции низкомолекулярных веществ активированными углями различной структуры установлено, что одним из факторов, оказывающих существенное влияние, на эффективность сорбционных процессов очистки воды в высокодинамических условиях ее фильтрации, является конвективный перенос сорбата в результате турбулизации потоков в магистральных порах. Наиболее предпочтительными для применения в ПИУ являются активные угли, содержащие наряду с микро-порами, значительное количество магистральных мезои макропор, что обеспечивает возможность длительного непрерывного их функционирования без снижения эффективности сорбции низкомолекулярных примесей.

5. Установлено, что для отечественных ПИУ комбинированного принципа действия оптимальной является конструкция в виде трубчатого корпуса с размещенными в нем слоями наполнителей в последовательности по ходу движения воды, обеспечивающими: первый слой — предварительную очистку (активный уголь или активированный угольный волоконный материал) — второй слойосновное обеззараживание (йодсодержащая смола марки СИА-1 или марки МЕТИС.

1) — третий слой — основную очистку (активированный уголь марки АА или СКН-Т, или Р-400) — четвертый слой — окончательное обеззараживание (катионит серебросодержащий марки КУ-23 СМ) — мундштука и защитного колпачка, а также установлены оптимальные соотношения наполнителей ПИУ.

6. Разработан алгоритм создания ПИУ комбинированного принципа действия для обеззараживания и очистки воды пресноводных источников в полевых условиях, созданы ПИУ, разработана технология их промышленного изготовления и впервые в стране организован промышленный выпуск ПИУ «Родник» и «БИП-1» .

7. Показано, что при небольших габаритах (200×14 мм -" Родник", 135×10мм -" БИП-1″) устройства позволяют эффективно очищать и гарантированно обеззараживать значительные количества воды из природных необорудованных пресноводных источников практически с любыми уровнями микробной контаминации (отЮ6 до 1015 микр.тел./л): «Родник» — 25−30 л, «БИП-1» — до Юл, обеспечивая «комфортную» для человека скорость прохождения воды (100+10) мл. /мин.

8. Разработан и научно обоснован алгоритм технолого-гигиенической оценки ПИУ — устройства для очистки воды в полевых условиях, включающий: 1- изучение безвредности ПИУ с учетом комплексного воздействия использованных конструкционных материалов, наполнителей и процессов (миграционных^ трансформационных или деструктивных, возможности размножения микрофлоры) — 2-оценка барьерной функции устройства в отношении бактериального, вирусного, паразитарного и химического загрязнения в условиях ресурсных испытаний.