Очистка поверхностных вод с использованием инновационных фильтрующих загрузок комплексного действия
Автор: Тихомирова Елена Ивановна, Веденеева Наталия Владимировна, Нечаева Ольга Викторовна, Анохина Татьяна Викторовна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Общая биология
Статья в выпуске: 2-3 т.18, 2016 года.
Бесплатный доступ
В статье представлено обоснование технологии комплексной очистки воды с применением комбинированных фильтрующих загрузок. Приведены данные исследования эффективности наноструктурированных природных сорбентов, модифицированных препаратами с антимикробными свойствами, для очистки поверхностных вод питьевого назначения.
Поверхностные воды, очистка, сорбция, фильтрация, комплексные комбинированные загрузки, бактерицид
Короткий адрес: https://sciup.org/148204575
IDR: 148204575
Текст научной статьи Очистка поверхностных вод с использованием инновационных фильтрующих загрузок комплексного действия
несколько стадий водоочистки. Это инновационный продукт современных технологий в области водоподготовки. Разработкой и производством занимаются многие зарубежные фирмы. Однако до настоящего времени не представлены варианты фильтров, эффективно обеспечивающих одновременно сорбцию и дезинфекцию в отношении химических и микробиологических конта-минантов. Учеными Саратовского государственного технического университета совместно со специалистами ООО НПП «ЛИССКОН» (г. Саратов) разработана экологически чистая, энергосберегающая, конкурентноспособная технология создания комбинированных фильтрующих загрузок на основе природных биологически активных и наноструктурированных сорбентов, как для очистки питьевых, так и сточных вод [6]. Данная технология позволяет не только очищать воду от химических и механических примесей, но и одновременно ее обеззараживать.
Для очистки питьевых вод рекомендовано использование комплекса модифицированных бентонитовых гранул и инновационного нанобиополимера с антибактериальными свойствами [7]. Состав слоев зависит от конкретной цели водоочистки, однако в качестве основных компонентов используются модифицированные бентонитовые гранулы и анионо-обменная смола с нанесенным наноструктурированным полимером. Сорбционный компонент фильтрующих загрузок представлен комплексом отожженных при разных температурах бентонитовых гранул, модифицированных различными добавками, и способных как катионному, так и анионному обмену. При создании фильтрующих загрузок для очистки питьевых вод рекомендовано использование модифицированных бентонитовых гранул, получаемых путем отжига бентонитового порошка Даш-Салахлинского месторождения (Азербайджан). Ранее проведенными исследованиями установлено, что гранулы являются нанострукту-рированными объектами и могут проявлять как анионные, так и катионные свойства, в зависимости от способа модификации, а также обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к гумусовым веществам, железу, нитратам, взвешенным частицам.
В качестве бактерицидного компонента в загрузках используется нетоксичный для животных и человека инновационный, эффективный в малых дозах наноструктурированный полимер – полидиметилдиал-лиламмоний ионогидрат (ПА-АГ-М), относящийся к классу поликатионов и обладающий антимикробной и фунгицидной активностью. Исходным сырьем для создания по-лиазолидинаммония модифицированного гид-рат-ионами йода является полидиаллилдимети-ламмоний хлористый, применяемый в качестве коагулянта (для очистки стоков) и диспергатора (для снижения вязкости дисперсных систем на водной основе с высокой концентрацией). Полимер обладает антимикробными свойствами за счет образования электростатических связей между полимером и мембранами бактерий, а также биоактивного йода, входящего в его состав и эффективен в отношении санитарно-показательных микроорганизмов воды.
Ранее нами были проведены исследования бактерицидных свойств водного раствора ПААГ-М разных концентраций (двукратных разведений от 2% до 0,03%) с использованием модельного микроорганизма E. Coli, установившие наиболее эффективные бактерицидные концентрации препарата, а также необходимое время воздействия. Полный бактерицидный эффект достигается через 1 час взаимодействия ПААГ-М с бактериями при действии минимальных концентраций. Это объясняется особенностями строения молекулы полимера, которая в концентрированном состоянии представляет собой плотную глобулу, а при растворении в воде и нанесении на поверхность какого-либо материала, глобулы полимера разворачиваются, освобождая больше активных центров. Чем больше разбавление, тем больше разворачивается цепочка полимера [2]. В качестве модельных санитарно-показательных микроорганизмов воды были выбраны штаммы Y. Entero-litica, S. enterica, P. Vulgaris, E. Coli, на которые ПААГ-М оказывает бактерицидное действие. Рост колоний полностью отсутствовал на протяжении 7 дней культивирования в термостате (табл. 1).
Таблица 1. Биологическая активность ПААГ-М в отношении условно-патогенных микроорганизмов воды
Штаммы бактерий |
Наличие роста колоний микроорганизмов |
E. coli |
- |
Y. enterolitica |
- |
S. enterica |
- |
P. vulgaris |
- |
контроль |
+ |
Для дальнейшей возможности применения ПААГ-М в целях водоподготовки оценивали острую его токсичность методами биотестирования с применением водоросли хлорелла Chlorella vulgaris Beijer, дафний Daphnia magna (табл. 2). Исследования показали отсутствие токсичности препарата в применяемых концентрациях.
Таблица 2. Оценка острой токсичности ПААГ-М методами биотестирования
Биотест-объект |
Концентрации ПААГ-М в мкг/мл |
||||||||||
1000 |
500 |
250 |
125 |
62,5 |
32 |
16 |
8 |
4 |
2 |
К |
|
Chlorella |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
vulgaris |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
Daphnia |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
не |
magna |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
токс |
В связи с тем, что водный раствор ПААГ-М трудно применим в проточных или наливных фильтрах, необходимо было подобрать субстрат для его нанесения. В качестве основы для нанесения рассматривали исследуемые бентонитовые гранулы, а также современные сорбенты, отличающиеся структурой, площадью удельной поверхности, элементным составом. После проведения широкого ряда исследований, установлено, что бактерицидная активность ПААГ-М зависит от структуры сорбента, который определяет общую дезинфицирующую способность фильтрующего слоя. 100% антибактериальный эффект отмечен только при нанесении полимера на анионообменную смолу АВ 17-8, которая отличается от других сорбентов особенностями строения и наличием четвертичных аммониевых оснований. ПААГ-М за счет электростатических сил прикрепляется органическим радикалом к группам четвертичных аммониевых оснований, при этом активные центры полиэлектролита, содержащие активный йод, оказываются свободными. В данном варианте комплекса полимера и сорбента ПААГ-М крепко удерживается на гранулах смолы и не смывается при фильтрации водных растворов.
Для оценки эффективности применения комбинированных фильтрующих загрузок в лабораторных и производственных условиях были выбраны несколько источников, находящихся на территории Саратовской области и отличающиеся разным уровнем загрязнения:
реки Соколка, Елшанка, пруд Бахчев. Река Ел-шанка протекает в Саратовском районе и по территории г. Саратов. Относится к Нижневолжскому бассейновому округу. Длина реки составляет 26 км, запружена. Для источника характерна высокая цветность и мутность проб, особенно в летний период. Из-за близко расположенных дачных массивов, сельскохозяйственных полей возможно попадание органических и азотсодержащих соединений. Отбор проб производился ниже села Атамановка. Река Соколка протекает в Новобурасском районе Саратовской области. Левый приток реки Чар-дым, бассейн Волги. Длина реки составляет 21 км. Протекает через село Лох, где и производился отбор проб. Согласно данными многолетнего мониторинга для источника отмечены повышенные концентрации железа в пробах. Бахчев пруд расположен на окраине г. Саратова в промышленной зоне. В его близи находятся несколько предприятий: Саратовский арматурный завод, Завод керамзитобетонных изделий, Стройдеталь, автозаправка, бывший учебный полигон Саратовского института химической защиты. Источник интенсивно подвергается загрязнению неочищенными бытовыми сточными водами близлежащих частных домов, а также нефтепродуктами, поступающими при мойке автотранспорта местным населением. В пробах значительно превышен уровень ПДК по содержанию термотолерантых и колиформных микроорганизмов, цветности. В летний период сильно мельчает, поэтому в пробах повышена минерализация.
Отбор проб воды исследуемых водных объектов осуществляли согласно ГОСТ Р 515932000. Лабораторно-аналитические исследования по основным показателям по аттестованным методикам: мутности и цветности осуществляли в соответствии с ГОСТ 3351-74, нитриты (ПНД Ф 14.1:2.3-95), нитраты (ГОСТ 18826-73), фосфаты (14.1:2:4.112-97), содержание железа (14.1:2:4.5096); ХПК (ПНД Ф 14.1:2:4.154-99), жесткость (ПНД Ф 14.1:2.98-97); хлорид-ионы – потенциометрическим методом с помощью иономера И-160. Для определения общего солесодержания в воде использовали кондуктометр TDS 3; рН определяли рН-метром Аквилон 2000 (ПНД Ф 14.1:2:3:4.12197). Санитарно-микробиологический анализ поверхностных вод производили в соответствии с МУК (4.2.1018-01 и 4.2.1884-04). Результаты проведенных исследований по оценке эффективности фильтрации представлены в табл. 3-5
Таблица 3. Эффективность фильтрации проб воды из р. Елшанка
ПОКАЗАТЕЛЬ |
Исходная проба (n=10) |
Фильтрат (n=20) |
Эффективность фильтрации,% |
Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01 |
солесодержание, мг/л |
408,00±7,34 |
402,00±8,34 |
1,47 |
1000 |
запах, балл |
0 |
0 |
0 |
2 |
цветность, град |
140,00±7,05 |
5,00±0,6 |
96,40 |
20 |
мутность, мг/л |
280,40±4,45 |
2,11±0,43 |
99,25 |
1,5-2 |
жесткость, мг-экв./л |
5,21±0,23 |
1,62±0,98 |
69,23 |
7 – 10 |
щелочность, ммоль/л |
6,87±1,03 |
4,05±1,03 |
41,05 |
7 |
рН |
7,13±1,12 |
7,29±1,49 |
- |
6-9 |
нитриты, мг/л |
0,21±0,01 |
0,12±0,01 |
40,58 |
3 |
нитраты, мг/л |
8,88±0,01 |
5,91±0,04 |
32,96 |
45 |
фосфаты, мг/л |
18,29±2,23 |
3,53±0,05 |
80,7 |
3,5 |
железо общее, мг/л |
0 |
0 |
0 |
0,3 |
ХПК, мг/л |
7,51±2,23 |
4,19±0,69 |
55,79 |
5,0 |
ОМЧ, КОЕ/мл |
1442,00±10,98 |
0 |
100 |
не более 50 |
Пробы, отобранные из р. Елшанка, характеризовались повышенной мутностью и цветностью, превышено содержание фосфатов, а также сильное микробное загрязнение. В результате очистки проб воды из р. Елшанка с помощью разработанной загрузки также отмечено значительное снижение показателей цветности, мутности (эффективность очистки 96-99%). В профильтрованных пробах полностью отсутствовали микроорганизмы (степень очистки 100%) (рис. 1), содержание фосфатов, превышение которых отмечено в исходном образце, снизилось на 80%, остальным показателям степень очистки составила 18-69%.
В результате фильтрации воды из р. Соколка, доказана способность комбинированной фильтрующей загрузки эффективно обезжелезивать воду: содержание железа с 4,12 мг/л в исходной пробе снизилось до 0 в фильтрате (степень очистки 100%), 100% обеззараживать воду, а также эффективно снижать цветность и мутность.
После фильтрации проб, отобранных из пруда Бахчев показатель солесодержания снизился на 52%. Результаты по остальным показателям были аналогичны предыдущим исследованиям: пробы после фильтрации были прозрачными, без посторонних запахов и примесей, с отсутствием микроорганизмов.
В результате проведенных исследований установлена 95-100% эффективность комбинированной фильтрующей загрузки в отношении таких показателей как цветность, мутность, ОМЧ, содержание железа. Степень фильтрации нитритов, нитратов, фосфатов, изменения общего солесодержания и ХПК составляла в среднем 3080%. Во всех исследуемых образцах фильтратов поверхностных вод отмечено снижение показателей, превышающих уровень ПДК в исходной пробе (рис. 2).

Рис. 1. Мутность и микробное загрязнение проб из р. Елшанка до и после фильтрации
Таблица 4. Эффективность фильтрации проб из воды р. Соколка
ПОКАЗАТЕЛЬ |
Исходная проба (n=10) |
Фильтрат (n=20) |
Эффективность фильтрации,% |
Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01 |
солесодержание, мг/л |
795,00±17,56 |
498,00±4,76 |
37,36 |
1000 |
запах, балл |
0 |
0 |
0 |
2 |
цветность, град |
85,00±2,34 |
2,00±0,05 |
97,65 |
20 |
мутность, мг/л |
26,51±5,21 |
1,23±0,01 |
95,47 |
1,5 |
жесткость, мг-экв./л |
8,00±0,03 |
3,00±0,01 |
62,50 |
7 |
щелочность, ммоль/л |
7,46±1,26 |
7,47±1,01 |
0 |
7 |
рН |
6,62±1,04 |
7,1±1,55 |
- |
6-9 |
нитриты, мг/л |
0,18±0,01 |
0,14±0,01 |
25,00 |
3 |
нитраты, мг/л |
4,48±0,85 |
2,02±0,17 |
54,55 |
45 |
фосфаты, мг/л |
0,73±0,05 |
0,29±0,02 |
58,57 |
3,5 |
железо общее, мг/л |
4,12±0,01 |
0 |
100,00 |
0,3 |
ХПК, мг/л |
5,51±0,24 |
5,01±0,13 |
8,89 |
5,0 |
ОМЧ, КОЕ/мл |
679,00±19,65 |
0 |
100,00 |
не более 50 |
Таблица 5 . Эффективность очистки воды из пруда Бахчев
ПОКАЗАТЕЛЬ |
Исходная проба (n=10) |
Фильтрат (n=20) |
Эффективность фильтрации,% |
Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01 |
солесодержание, мг/л |
2028,00 ± 44,5 |
876,00 ± 8,3 |
51,87 |
1000 |
запах, балл |
3,00±0,01 |
0 |
100 |
2 |
цветность, град |
200,00±17,11 |
25,09± |
87,50 |
20 |
мутность, мг/л |
1,77±0,09 |
0,55±0,02 |
70,59 |
7 |
жесткость, мг-экв./л |
0 |
0 |
- |
7 |
щелочность, ммоль/л |
6,87±0,13 |
7,06±0,11 |
- |
6-9 |
рН |
23,45±1,55 |
1,9±0,07 |
91,74 |
1,5 |
нитриты, мг/л |
2,13±0,08 |
0,71±0,03 |
66,77 |
3 |
нитраты, мг/л |
7,87±0,19 |
0,35±0,01 |
61,54 |
45 |
фосфаты, мг/л |
6,57±0,98 |
2,19±0,13 |
67,69 |
3,5 |
железо общее, мг/л |
0 |
0 |
100 |
0,3 |
ХПК, мг/л |
9,18±1,1 |
3,51±0,48 |
61,54 |
5,0 |
ОМЧ, КОЕ/мл |
2235,00±76 |
0 |
100 |
не более 50 |

после фильтрации
Рис. 2. Пробы воды из п. Бахчев до и после фильтрации
Выводы: использование разработанных фильтрующих систем обеспечивает решение сразу двух задач водоочистки: подготовки поверхностных и грунтовых вод для питьевого водоснабжения и очистки сточных и загрязненных поверхностных вод. Их применение позволяет существенно снижать цветность и мутность, сорбировать ионы тяжелых металлов, нитриты и нитраты, пестициды, нефтепродукты и одномоментно обеззараживать воду. Фильтрующие системы предназначены как для индивидуального пользования в полевых, походных, экстремальных (в случаях природных и техногенных катастроф), так и в домашних условиях. Возможно создание различных вариантов коммерческого продукта: от бытовых кувшинных фильтров до станций водоснабжения малых населенных пунктов в сельской местности. Комбинированные фильтрующие системы могут быть использованы в установках очистки воды на предприятиях среднего и малого бизнеса, ЖКХ, садовых кооперативов, частного потребления, а также иных водопользователей.
Список литературы Очистка поверхностных вод с использованием инновационных фильтрующих загрузок комплексного действия
- Гамаюнова, А.А. Качество питьевой воды и здоровье населения/А.А. Гамаюнова, Л.А. Басихина, Н.Я. Кучеренко, Л.Т. Самкаева//Фундаментальные исследования. 2005. № 6. С. 70-76.
- Нечаева, О.В. Создание инновационных препаратов на основе гетероциклических соединений и полиазолидинаммония, модифицированного гидрат ионами галогенов/О.В. Нечаева, Е.И. Тихомирова, Д.А. Заярский, М.М. Вакараева//Фундаментальные исследования. 2014. № 6-3. С. 506-511.
- Онищенко, Г.Г. Приоритетная задача национальной безопасности//Экология и жизнь. 2010. № 7. С. 82-83.
- Ревич, Б.А. Загрязнение окружающей среды и здоровье населения.//Введение в экологическую эпидемиологию. -М., 2001. С. 224-230.
- Санитарные правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». -М.: Минздрав России, 2002. 14 с.
- Веденеева, Н.В. Инновационные методы очистки поверхностных и сточных вод с использованием наноструктурированных сорбентов/Н.В. Веденеева, В.А. Заматырина, Е.И. Тихомирова и др.//Инновационная деятельность. 2014. № 4. С. 27-31.
- Веденеева, Н.В. Разработка комплексной очистки поверхностных вод от химических и биологических контаминантов/Н.В. Веденеева, О.В. Нечаева, Е.И. Тихомирова//Актуальные научные и научно-технические проблемы обеспечения химической безопасности России: мат-лы II Всерос. конф. -М., 2014. С. 79-80.