Преаммонизация воды на центральных очистных сооружениях водопровода крупного города как средство минимизации рисков для здоровья населения

Соснина Светлана Алексеевна – ведущий специалист-эксперт отдела санитарного надзора (e-mail: stchupakova@ ; тел.: 8 (8182) 65-27-93; ORCID: .

Мироновская Анастасия Владимировна – кандидат медицинских наук, заместитель руководителя; доцент кафедры гигиены и медицинской экологии (е-mail: ; тел.: 8 (8182) 20-57-23; ORCID: .

Унгуряну Татьяна Николаевна – доктор медицинских наук, главный специалист-эксперт; профессор кафедры гигиены и медицинской экологии; профессор кафедры общей гигиены (e-mail: ; тел.: 8 (8182) 21-04-61; ORCID: .

Бузинов Роман Вячеславович – доктор медицинских наук, руководитель; профессор кафедры гигиены и медицинской экологии (e-mail: ; тел.: 8 (8182) 20-05-69; ORCID: .

Качество питьевой воды является одним из наиболее важных факторов, влияющих на состояние здоровья населения. Высокая техногенная нагрузка на окружающую среду приводит к загрязнению водных объектов по многим химическим, биологическим и органолептическим показателям [1–3]. Обеспечение населения качественной питьевой водой и оптимизация условий водопользования остаются актуальными задачами, несмотря на совершенствование технологий по очистке и обеззараживанию воды [3].

Высокий уровень обеззараживания питьевой воды и обеспечение санитарного состояния водоочистных сооружений достигается за счет хлорирования воды, которое является одним из важнейших этапов водоподготовки [4]. Однако процесс хлорирования сопровождается образованием побочных продуктов дезинфекции. При обработке воды хлорсодержащими реагентами образуются свыше 300 токсичных хло-рорганических соединений, в основном относящиеся к тригалометанам (хлороформ, дихлорбромметан, хлордибромметан, бромоформ и другие) [4, 5]. При этом хлороформ является одним из наиболее часто встречающихся побочных продуктов дезинфекции, его концентрация значительно превышает содержание других летучих хлорорганических соединений1 [6–8]. Кроме этого, даже минимальное содержание хлора в питьевой воде приводит к появлению специфического запаха, который ощущается потребителем.

Хроническая экспозиция к тригалометанам представляет серьезную опасность здоровью, так как они считаются системными токсикантами, обладают мутагенной и канцерогенной активностью [9–11], являются генотоксичными, вызывают метаболические нарушения [12], способствуют повышению уровня общей и детской заболеваемости [13]. Даже при низких уровнях содержания в питьевой воде тригалометанов, в частности хлороформа, повышается риск развития канцерогенных и общетоксических эффектов [14].

Снижение образования хлорорганических соединений в питьевой воде можно достичь с помощью метода предварительной аммонизации, то есть хлорирования воды, содержащей аммонийный азот [15]. Сущность метода заключается в том, что перед добавлением хлора в воду в нее вводят аммиак или его соли. Преимуществами преаммонизации воды являются снижение расхода хлора в 1,5–2 раза, сни- жение специфического запаха хлора, увеличение концентрации остаточного хлора в очищенной воде, что способствует более длительному эффекту обеззараживания, которое обеспечивается за счет связанного хлора (хлораминов) [16, 17].

Опыт внедрения преаммонизации воды в Москве, Санкт-Петербурге, Хабаровске, Ростове-на-Дону, Нижнем Новгороде показал положительное влияние данного метода водоподготовки на качество питьевой воды, подаваемой населению, преимущественно за счет снижения содержания побочных продуктов хлорирования [4, 18–21].

Настоящее исследование выполнено на территории г. Архангельска, который является административным центром Архангельской области и относится к территориям Арктической зоны2. Основным источником централизованного водоснабжения в г. Архангельске является река Северная Двина и ее протоки, на которых эксплуатируется 10 водопроводных сооружений. Для реки Северная Двина характерна низкая температура воды, малая минерализация и содержание фтора, небольшая общая жесткость, значительные колебания мутности, высокая цветность и окисляемость3.

Высокая цветность речной воды, достигающая 180° в районе водозабора, обусловлена содержанием гуминовых веществ природного происхождения, а также сбросом сточных вод АО «Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат», доля которого в общем объеме сбросов загрязненных сточных вод в пределах всей зоны санитарной охраны водоисточника составляет не менее 60 %4. Кроме этого, выпуск неочищенных или недостаточно очищенных сточных и ливневых вод осуществляются канализационными очистными сооружениями Архангельска, неканализованным жилым фондом, предприятиями речного и железнодорожного транспорта.

При анализе качества воды в реке Северная Двина в районе г. Архангельска установлено, что удельный вес исследованных проб за 2017–2019 гг., не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим и санитарно-химическим показателям, составил 48,8 и 56,3 % соответственно, что выше аналогичных показателей по Российской Федерации в 2–3 раза. Удельный вес проб питьевой воды на территории г. Архангельска, исследованных за

2017–2019 гг., не соответствующих гигиеническим нормативам по микробиологическим и санитарнохимическим показателям, составил 6,3 и 30,7 % соответственно, что в 2,5 раза выше аналогичных показателей в целом по Российской Федерации5. При оценке мониторинга качества питьевой воды централизованных систем водоснабжения на территориях, отнесенных к Арктической зоне Российской Федерации, показано, что одним из приоритетных загрязнителей питьевой воды на территории Архангельской области является хлороформ [22]. Таким образом, для повышения качества питьевой воды, подаваемой населению г. Архангельска, требуется проведение модернизации системы водоочистки.

Преаммонизация воды была внедрена на центральных очистных сооружениях водопровода (ЦОСВ), которые подают воду 77 % населения г. Архангельска. В 2017 г. МУП «Водоканал» разработал согласованную с Управлением Роспотребнадзора по Архангельской области программу проведения опытно-промышленных испытаний технологии аммонизации воды, направленной на снижение содержания в питьевой воде хлорорганических производных в результате ее хлорирования. В период с августа 2017 г. по май 2018 г. проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания по внедрению технологии аммонирования воды с использованием сульфата аммония. С июня 2018 г. преаммонизация воды на ЦОСВ была введена на постоянной основе.

Цель исследования – оценить эффективность внедрения метода преаммонизации воды на центральных очистных сооружениях водопровода г. Архангельска.

Материалы и методы. В рамках исследования проанализировано качество питьевой воды после водоподготовки на ЦОСВ до проведения преаммон-низации (с января 2016 г. по июль 2017 г.) и после проведения преаммонизации (с июня 2018 г. по декабрь 2019 г.). До внедрения преаммонизации воды исследовано 14 674 пробы, после внедрения преаммонизации – 15 165 проб. Население под воздействием составило 273 624 человека. Оценка эффективности введения преаммонизации проведена по данным производственного лабораторного контроля, проводимого организацией, эксплуатирующей ЦОСВ на станциях второго подъема, непосредственно после водоподготовки и в контрольных точках на распределительной сети, а также по результатам надзорных мероприятий Управления Роспотребнадзора по Архангельской области и протоколам лабораторных исследований качества питьевой воды, проведенных

ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Архангельской области» в рамках социально-гигиенического мониторинга. Проанализированы данные организаций (МУП «Водоканал» и ООО «РВК-Ар-хангельск»), эксплуатирующих ЦОСВ, расходование реагентов до и после введения преаммонизации.

На основе указанных материалов создана база данных исследований качества питьевой воды, подаваемой с ЦОСВ, по органолептическим, санитарно-химическим и микробиологическим показателям. Анализ качества воды осуществлялся по 19 показателям: органолептические (запах при 20 °С, цветность, мутность), обобщенные (водородный показатель, окисляемость перманганатная, общая минерализация), неорганические (алюминий, железо, хлориды, сульфаты, аммиак, нитриты, нитраты), химические вещества, образующиеся в процессе обработки воды (хлороформ, хлор остаточный свободный, хлор остаточный связанный) и микробиологические (общие колиформные бактерии, термотолерантные колиформные бактерии, общее микробное число).

Оценка неканцерогенных эффектов при воздействии химических веществ, содержащихся в питьевой воде, до и после внедрения преаммонизации выполнена на основе расчета коэффициентов опасности ( HQ ) и индексов опасности ( HI ) для веществ с однонаправленным механизмом действия. Коэффициенты опасности были рассчитаны для алюминия, железа, аммиака, нитритов, нитратов и хлороформа на уровне их медианных концентраций. Для расчета дозы поступления химических веществ с питьевой водой использовалось стандартное значение водопотребле-ния 2 л в сутки для взрослого человека массой 70 кг. Значения HQ и HI менее 1,0 рассматривались как минимальные уровни риска⁶.

Для описания содержания исследуемых показателей использована медиана ( Ме ) и 90-й процентиль ( Р 90 ). Выявление различий между показателями качества питьевой воды до и после внедрения преаммонизации проводилось с помощью двухвыборочного критерия Вилкоксона. За критический уровень статистической значимости принималось р , равное 0,05. Статистический анализ данных выполнен с использованием программного обеспечения STATA 14.2.

Результаты и их обсуждение. В настоящее время водоснабжение г. Архангельска через ЦОСВ осуществляется ООО «РВК-Архангельск» (до 20.12.2018 г. – МУП «Водоканал»). ЦОСВ состоят из двух станций по очистке воды (станции № 2, 3) на которых проходит подготовка и обеззараживание воды, далее вода подается в резервуар чистой воды. Производительность ЦОСВ в среднем составляет 130–140 тысяч м3/сут.

На ЦОСВ используются два метода очистки воды: на станции № 2 – метод коагуляции в свободном объеме, на станции № 3 – метод коагуляции в фильтрующем слое. В процессе водоподготовки на станции № 2 вода из реки Северная Двина поступает в смеситель вихревого типа, далее – в водоводы, где вводится сульфат аммония, с помощью которого свободный хлор переходит в связанный. После этого для первичного обеззараживания в воду подается гипохлорит натрия, а также кальцинированная сода, коагулянт, флокулянт. Отношение аммонийного азота к активному хлору 1:4. Далее вода, смешанная с реагентами, через камеры реакции поступает на скорые фильтры, затем подвергается вторичному обеззараживанию и поступает в резервуары чистой питьевой воды.

В процессе водоподготовки на станции № 3 вода из реки Северная Двина подается в контактную камеру, в которую вводится раствор сульфата аммония, далее дозируется гипохлорит натрия (первичное хлорирование) и коагулянт. После выхода из контактной камеры вода смешивается с флокулянтом. Затем вода поступает на префильтры (контактные осветлители) для контактной коагуляции. В осветленную воду дополнительно вводится микродоза флокулянта. Далее в воду подаются вторая доза гипохлорита натрия и раствор кальцинированной соды. После скорых фильтров очищенная вода подвергается заключительному обеззараживанию и направляется в резервуары чистой питьевой воды, где смешивается с водой, поступающей со станции № 2.

Оценка качества воды на втором подъеме ЦОСВ. Сравнительная оценка качества питьевой воды, отобранной на втором подъеме ЦОСВ, на уровне средних значений показателей выявила повышение цветности в 1,1 раза ( р = 0,027) и увеличение концентрации аммиака (по азоту) в 3,8 раза ( р < 0,001). При этом значения цветности и содержания аммиака на уровне медианы не превышали ПДК (табл. 1).

Качество питьевой воды на втором подъеме ЦОСВ на уровне медианы по таким показателям, как запах, мутность, водородный показатель, окисляемость перманганатная, железо и нитриты, после внедрения преаммонизации не изменилось ( р > 0,05).

Таблица 1

Результаты лабораторных испытаний качества питьевой воды на втором подъеме ЦОСВ г. Архангельска

Показатель	До преаммонизации		После преаммонизацми		р	Норматив7
	Ме	Р 90	Ме	Р 90
Органолептические показатели
Запах при 20 °С, баллы	1	2	1	2	0,466	2
Цветность, градусы	12	18	13	21	0,027	20
Мутность, мг/л (по каолину)	0,58	1,10	0,58	0,62	0,106	1,5
Обобщенные показатели
Водородный показатель, единицы рН	6,9	7,4	6,8	7,3	0,742	6–9
Окисляемость перманганатная, мг/л	4,1	5,0	4,3	5,0	0,369	5
Общая минерализация (сухой остаток), мг/л	268	362	209	322	0,008	1000
Неорганические вещества
Алюминий (Al (3+)), мг/л	0,32	0,46	0,12	0,24	< 0,001	0,5
Железо (Fe, суммарно), мг/л	0,1	0,14	0,1	0,15	0,107	0,3
Хлориды (по CL), мг/л	16,05	20,3	9,7	13,8	< 0,001	350
Сульфаты (SO4), мг/л	77,9	116,4	83,3	113,5	0,650	500
Аммиак (по азоту)	0,10	0,38	0,38	0,60	< 0,001	2,0
Нитриты (по NO2), мг/л	0,02	0,02	0,02	0,03	0,014	3,0
Нитраты (по NO3), мг/л	0,55	1,44	0,45	1,04	0,024	45
Химические вещества, образующиеся в процессе водоподготовки
Хлороформ, мг/л	0,07	0,11	0,02	0,02	< 0,001	0,2
Хлор остаточный свободный, мг/л	0,94	1,17	0,05	0,27	0,317	не нормируется
Хлор остаточный связанный, мг/л	0,59	0,95	1,16	1,40	0,317	0,8–1,2
Микробиологические показатели
ОКБ, число бактерий в 100 мл	0	0	0	0	х	отсутствие
ТКБ, число бактерий в 100 мл	0	0	0	0	х	отсутствие
ОМЧ, число образующих колонии бактерий в 1 мл	0,03	0,41	0	0,26	< 0,001	не более 50

7 СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. – М.: Минздрав России, 2002. – 103 с.

Таблица 2

Результаты лабораторных испытаний качества питьевой воды в распределительной сети, подаваемой населению с ЦОСВ г. Архангельска

Показатель	До преаммонизации		После преаммонизацми		р	Норматив6
	Ме	Р 90	Ме	Р 90
Органолептические показатели
Запах при 20 °С, баллы	1	1,3	1	1,3	0,114	2
Цветность, градусы	15	20	18	23	<0,001	20
Мутность, мг/л (по каолину)	0,86	1,47	0,66	1,02	0,002	1,5
Обобщенные показатели
Водородный показатель, единицы рН	6,9	7,4	6,9	7,3	0,684	6–9
Окисляемость перманганатная, мг/л	4,1	5,2	4,4	4,8	0,547	5
Общая минерализация (сухой остаток), мг/л	277	363	199	310	0,023	1000
Неорганические вещества
Алюминий (Al (3+)), мг/л	0,25	0,42	0,15	0,24	<0,001	0,5
Железо (Fe, суммарно), мг/л	0,31	0,48	0,32	0,64	0,576	0,3
Хлориды (по CL), мг/л	17,35	22,30	10,73	15,88	<0,001	350
Сульфаты (SO4), мг/л	71,8	122,6	74,7	105,6	0,327	500
Аммиак (по азоту)	0,11	0,22	0,43	0,66	<0,001	2,0
Нитриты (по NO2), мг/л	0,02	0,02	0,03	0,12	<0,001	3,0
Нитраты (по NO3), мг/л	0,73	1,42	0,54	1,38	0,31	45
Химические вещества, образующиеся в процессе водоподготовки
Хлороформ, мг/л	0,066	0,085	0,009	0,043	<0,001	0,2
Хлор остаточный свободный, мг/л	0,10	0,25	0,01	0,14	<0,001	не нормируется
Хлор остаточный связанный, мг/л	0,11	0,15	0,50	0,64	<0,001	не нормируется
Микробиологические показатели
ОКБ, число бактерий в 100 мл	0	0,04	0	0,04	0,888	отсутствие
ТКБ, число бактерий в 100 мл	0	0,03	0	0,02	0,829	отсутствие
ОМЧ, число образующих колонии бактерий в 1 мл	0,05	0,68	0,05	0,36	0,580	не более 50

Статистически значимо снизилось содержание веществ в питьевой воде после внедрения преаммонизации по следующим показателям: алюминий ‒ в 2,7 раза ( р < 0,001), хлориды ‒ в 1,7 раза ( р < 0,001), нитраты ‒ в 1,2 раза ( р < 0,001). Концентрация хлороформа на втором подъеме ЦОСВ после внедрения преаммонизации воды снизилась на уровне Ме в 3,5 раза, на уровне Р ₉₀ ‒ в 5,5 раза ( р < 0,001). Влияние преаммонизации воды на содержание остаточного свободного хлора и остаточного связанного хлора достоверно оценить не представляется возможным в связи с малым количеством наблюдений до проведения преаммонизации ( n = 4).

На уровне медианы общее микробное число (ОМЧ) после внедрения преаммонизации воды не обнаружено, на втором подъеме ЦОСВ ОМЧ уменьшилось на уровне Р 90 в 1,6 раза ( р < 0,001).

Оценка качества воды в распределительной сети. При проведении сравнительной оценки качества питьевой воды, отобранной в распределительной сети до и после внедрения преаммонизации, не выявлено изменений по запаху и водородному показателю ( р > 0,05).

Установлено, что на уровне средних значений показателей после внедрения преаммонизации увеличилась цветность в 1,2 раза, повысились концентрации аммиака в 3,9 раза (р < 0,001) и нитритов – в 1,5 раза (р < 0,001) (табл. 2). При этом значения данных показателей не превышали ПДК, за исключением цветности на уровне Р90.

В распределительной сети после внедрения преаммонизации уменьшились мутность воды в 1,3 раза ( р = 0,002), сухой остаток – в 1,1 раза ( р = 0,023), концентрации алюминия и хлоридов – в 1,7 и 1,6 раза соответственно ( р < 0,001). Среднее содержание хлороформа уменьшилось в 7,3 раза , а хлора остаточного свободного – в 10 раз ( р < 0,001). Средняя концентрация хлора остаточного связанного увеличилась в 4,5 раза ( р < 0,001). Увеличение в распределительной сети содержания остаточного связанного хлора и снижение остаточного свободного хлора свидетельствует о нахождении хлора в распределительной сети более длительный период, что обусловливает бактерицидное действие хлора на большей протяженности водопроводной сети.

В сравнении со вторым подъемом качество воды в распределительной сети по содержанию железа ухудшилось, что обусловлено высоким процентом изношенности водопроводной сети г. Архангельска (70,7 %) и большим количеством аварий на распределительной сети. Однако содержание железа в воде распределительной сети до и после внедрения преаммонизации не имело статистически значимых различий.

Снижение концентрации сухого остатка, хлоридов, нитратов и сульфатов в питьевой воде на 2-м подъ- еме ЦОСВ и в распределительной сети г. Архангельска связано с природным составом воды. Снижение концентрации алюминия на 2-м подъеме ЦОСВ и в распределительной сети не является следствием внедрения преммонизации воды.

После преаммонизации содержание термотолерантных колиформных бактерий (ТКБ) и ОМЧ в воде распределительной сети уменьшилось в 1,5 и в 1,9 раза соответственно, показатель ОКБ остался без изменений.

Характеристика риска развития общетоксических эффектов показала, что значения коэффициентов опасности для всех исследуемых веществ и индексы опасности для критических органов и систем как до внедрения преаммонизации, так и после ее внедрения, не превышали 1,0. Тем не менее после внедрения преаммонизации индексы опасности для системы крови и кожи уменьшились в 3,2 раза, для органов кровообращения, центральной нервной системы и органов пищеварения – в 5–7 раз (рисунок).

Рис. Индексы опасности для критических органов и систем при воздействии химических веществ, содержащихся в питьевой воде, до и после внедрения преаммонизации

Снижение риска развития общетоксических эффектов для критических органов и систем обусловлено преимущественно уменьшением содержания хлороформа в питьевой воде после внедрения преаммонизации. Вклад хлороформа в индексы опасности после преаммонизации снизился на 10–47 % по сравнению с водоподготовкой на основе традиционного хлорирования.

Основным результатом внедрения предварительной аммонизации воды в г. Архангельске было снижение содержания хлороформа в питьевой воде на втором подъеме с 0,07 до 0,02 мг/л и в распределительной сети с 0,066 до 0,009 мг/л. Результаты настоящего исследования согласуются с данными, полученными в г. Санкт-Петербурге, где проводились испытания по внедрению аммонирования воды с использованием сульфата аммония. В результате преаммонизации на водоочистных сооружениях г. Санкт-Петербурга содержание хлороформа в питьевой воде снизилось с 90–120 до 1–5 мкг/дм3 [18].

В г. Хабаровске удалось снизить ухудшение качества питьевой воды по микробиологическим пока- зателям в распределительной сети города и уменьшить содержание хлорорганических соединений в питьевой воде до значений ниже гигиенического норматива благодаря внедрению метода преаммонизации воды сульфатом аммония [19]. Преаммонизация воды сульфатом аммония стала эффективным способом снижения концентраций летучих хлорорга-нических соединений до семи раз в воде, используемой для водоснабжения г. Ростова-на-Дону, Таганрога и Азова [20].

Введение предварительной аммонизации воды и применение гипохлорита натрия на Слудинской водопроводной станции г. Нижнего Новгорода позволили привести концентрацию хлороформа к показателю не более 0,01 мг/л, а также снизить концентрацию побочных продуктов дезинфекции в питьевой воде на 60–80 % [21]. Сотрудниками ОАО «Мосводоканал» было проведено исследование по внедрению преаммонизации для водоподготовки в г. Москве, в результате которой концентрация хлороформа снизилась с 50–87 до 6–15 мкг/л [4].

Для снижения содержания хлорорганических соединений в питьевой воде использование предварительной аммонизации и хлорирования является наиболее эффективной методикой, однако результатом данной технологии является образование хлораминов, что приводит к снижению эффекта обесцвечивания. Этим можно объяснить увеличение цветности на втором подъеме водоочистных сооружений на 1° и в распределительной сети на 3°. ОАО «Мосводоканал» при водоподготовке был проведен ряд лабораторных исследований для определения зависимости величины цветности от дозы и последовательности ввода хлора и аммиака. В результате эффект по снижению цветности не был получен: после 5 мин ввода аммиака после хлора цветность уменьшилась всего на 2° [4].

По данным, представленным ООО «РВК-Ар-хангельск», эксплуатирующее ЦОСВ г. Архангельска, суммарный расход химического реагента (гипохлорита натрия) за 2019 г. составил 318,2 тонны. До внедрения аммонизации воды суммарный расход реагента составлял 666 тонн в год. Таким образом, после внедрения преаммонизации воды расход химического реагента уменьшился в 2,1 раза, что свидетельствует об экономии реагента и экономической эффективности внедрения преаммонизации воды. На Слудинской водопроводной станции Нижнего Новгорода введение преммонизации позволило уменьшить расход хлора на 40–50 % [21].

Выводы. Использование сульфата аммония в рамках проведения предварительной аммонизации при подготовке питьевой воды на ЦОСВ г. Архангельска позволило существенно улучшить качество питьевой воды, подаваемой населению. Положительный эффект преаммонизации состоял в снижении появления побочных продуктов хлорирования и улучшения микробиологического качества питьевой воды. За счет снижения содержания хлороформа уменьшился риск развития общетоксических эффектов со стороны критических органов и систем. Использование преаммонизации воды как нового технологического решения на этапе водоподготовки позволило улучшить качество работы водопроводных станций, добиться снижения эксплуатационных затрат, снизить образование по- бочных продуктов дезинфекции и повысить качество питьевой воды.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.