Экспериментальные исследования факторов, мешающих обеззараживанию воды хлором

Труды комйссии по изучению медико-санитарных последствий войны, вышедшие из печати и подготовленные к изданию, являются плодом и свидетельством неутомимой научно-организационной деятельности вдохновителя и руководителя этой работы Н. А. Семашко.

Огромные заслуги Николая Александровича перед отечественной наукой нашли признание в присвоении ему звания заслуженного деятеля науки, в избрании его действительным членом двух академий и директором двух научно-исследовательских институтов. Совет министров СССР в мае 1949 г. вынес решение об издании трудов Н. А. Семашко, что является наиболее высоким и почетным признанием научных заслуг покойного перед советским народом и перед отечественной наукой.

На нас — учеников, сотрудников, товарищей по работе и друзей покойного — падает ответственная и почетная задача показать стране светлый образ ее достойного гражданина, патриота и ученого-большевика, верного сына партии Ленина—Сталина.

Проф. С. В. Моисеев

Экспериментальные исследования факторов, мешающих обеззараживанию воды хлором1

Из Ленинградского научно-исследовательского санитарно-гигиенического

института

В практических условиях обеззараживания питьевой воды хлором, несмотря на правильный технологический процесс хлорирования и на достаточное количество остаточного свободного хлора, в ряде случаев не достигается необходимый бактерицидный эффект.

В литературе встречаются указания многих авторов, что хлооиро-ванию воды могут мешать находящиеся в ней взвешенные или те или иные растворенные органические вещества (А. И. Антоновский, 1912; А. Войткевич и А. Иваницкая, 1916; В. А. Волжинский, 1924; М. Ди-нер, 1927; Ф. Сарториус и Г. Вебер, 1935; М. И. Гоштейн и А. И. Ру-денко, 1936; К. К. Боголюбов, 1939; А. Шафир и Н. Фрейберг и др.). Такие единичные факты наблюдались каждым из этих авторов только попутно и не являлись объектами специальных исследований. Поэтому факторы, мешающие обеззараживанию воды хлором, остаются не изученными и механизм их действия пока совершенно не освещен.

В руководимом автором отделе гигиены водоснабжения и канализации Ленинградского научно-исследовательского санитарно-гигиенического института в течение последних лет велись экспериментальные исследования по изучению этого вопроса. Кроме обычных физических, химических и бактериологических методов исследования, впервые в области 1 игиены водоснабжения были использованы некоторые теоретические положения и методы исследования химии поверхностных явлений. Эти исследования организовал и руководил ими старший научный сотрудник отдела А. П. Вишняков. Исследования велись научными сотрудниками Л. Н. Гурфейн, А. М. Федотовой, С. Я. Вышкинд и Р. А. Дашевской.

Из факторов, могущих мешать обеззараживанию еоды хлором, мы сначала экспериментально выясняли влияние гуминовых кислот, встречающихся в воде открытых водоемов, питающихся водами болотистого происхождения. Как известно, гуминовые кислоты — понятие групповое.

1 Доложено на научной конференции и на заседании Ученого совета Ленинградского научно-исследовательского саиитарщнгигаешческого института в марте 1949 г., а также на республиканской научной сессии санитарно-гигиенических институтов и кафедр гигиены медицинских институтов РСФСР в Москве в апреле 1949 г.

Они составляют целую группу высокомолекулярных соединений разног» состава как по своему происхождению, так и по содержащимся в них примесям (Стадников, 1932). Гуминовые кислоты бьшают коллоидно растворимые и коллоидно нерастворимые в воде. Это — ненасыщенные органические кислоты, легко присоединяющие галоиды. Это — высокодисперсные золи, способные набухать в воде и адсорбировать.

Для своих экспериментальных исследований Р. А. Дашевская выделяла гуминовые кислоты из различных сортов торфа по методу, описанному Вишняковым и Рабинович в 1935 г.

А. М. Федотова выделила из невской воды хлорнеустойчивый штамм кишечной палочки, с которым и вела все последующие бактериологические исследования по этой теме. Она выяснила, что в дестиллирован-мой воде, содержащей от 1 до 10 мг/л гуминовых кислот, кишечная палочка остается вполне жизнеспособной не менее 14 дней.

Первые опыты Дашевской и Федотовой по хлорированию дестилли-рованной воды, зараженной этим штаммом кишечных палочек и содержащей гуминовые кислоты в количестве 0,1 — 1 мг/л, при контакте в течение 30 минут и 2 часов, при остаточном свободном хлоре в пределах санитарной нормы (0,3—0,5 мг/л), показали достаточный бактерицидный эффект: титр коли, до хлорирования равный 0,00004—0,0004 мл, после хлорирования был больше 111 мл. При содержании же гуминовых кислот в количестве 10- мг/л, в тех же условиях опыта, но при 30-минутном контакте с хлором, в ряде опытов наблюдались «проскоки» кишечной палочки, в других таких же опытах они отсутствовали. При содержании же гуминовых кислот, равном 100 мг/л, и при контакте с хлором в течение 30 минут бактерицидный эффект хлора резко нарушался. При 2-часовом контакте в тех же условиях опыта результаты хлорирования оказались лучшими, но и при этом гуминовые кислоты в такой концентрации значительно мешали хлорированию.

Совершенно неожиданные результаты дали аналогичные опыты с другой фракцией гуминовых кислот, выделенных из иных сортов торфа. Уже при концентрациях в воде даже в количестве 0,1 мг/л, тем более при концентрациях 1—5—10 мг/л, при контакте с хлором, длившемся 30 минут и 2 часа, получились отрицательные результаты хлорирования, ни в одном опыте не удовлетворяющие требованиям гигиены водоснабжения. Только при увеличении дозы хлора с расчетом получения повышенных количеств остаточного свободного хлора в пределах 0,6—1,32 мг/л получились положительные результаты хлорирования во всех 30 опытах с гуминовыми кислотами в количестве 1—5 мг/л и в 5 опытах в количестве 10 мг/л. Из последних опытов только в одном при контакте в 30 минут получился титр коли меньше 111.

Таким образом, эти серии опытов подтвердили и бактериологическим методом, что различные гуминовые кислоты имеют различный состав и обладают поэтому различными свойствами. Они также показали, что гуминовые кислоты могут служить фактором, мешающим нормальному процессу хлорирования питьевой воды, иногда даже при концентрации их 0,1 мг/л.

Для теоретического объяснения этих фактических данных мы позволим себе очень кратко коснуться некоторых известных теоретических положений химии поверхностных явлений.

Когда мы имеем соприкасающиеся между собой какие-нибудь две различные фазы, например, жидкость^—газ или жидкость — твердое тело, то на границе их раздела образуется поверхностный мономолекулярный слой, обладающий так называемой поверхностной энергией. Эта энергия обусловливает на границе раздела двух фаз поверхностное натяжение, стремящееся придать поверхности жидкости сферическую форму. Поэтому форму шара принимают, например, капли ртути на парафиновой поверхности или дождевые капли, или капли росы. Поверхностное натяжение измеряется в эргах на 1 см» или в динах/см. Поверхностное натяжение воды при 20° равно 72,5 дин/см.

Целый ряд органических веществ обладает гораздо меньшим поверхностям*1 натяжением, чем вода, например, спирт {его поверхностное натяжение равно 22 дин/см), эфир, амины, органические кислоты и др. Поэтому если их прибавить к воде, то (последняя (растворитель), обладая значительно ббльшим поверхностным натяжением, как бы вытесняет их к поверхности раздела. Эти вещества понижают поверхностное натяжение растворителя (воды). Такие вещества, которые понижают поверхностное натяжение, называются поеерхностноактивными веществами. Они обладают «положительной адсорбцией». Неорганические кислоты и щелочи, наоборот, концентрируются внутри растворителя. Они очень слабо увеличивают или вовсе не изменяют поверхностное натяжение жидкости. Поэтому они называются поверхностно-инактивнымн веществами. Они обладают «отрицательной адсорбцией».

Поверхностноактивные вещества представляют собой асимметрически построенные молекулы органических веществ. Полярноактивная часть их, например ОН, СООН, ЫНг, СЫ и др., в случае двух фаз, например, жидкость — бактерия, погружается в жидкость, а неполярная часть их, расположенная на другом конце поверхностное ктивного вещества, старается, наоборот, «выскочить» из воды, а потому направляется к поверхности раздела, к поверхности бактерии, образуя поверхностный мономолекулярный слой на границе раздела жидкость—бактерия.

Насыщенный слой

Сяа&о насыщенный

слой

--Раствор — - -

: Ненасыщенной слой

Ориентировка молекул в поверхностном слое

Таким образом создается определенная структура мономолекулярного слоя па поверхности раздела. Чем больше его концентрация, чем больше молекул располагается на единице площади его, тем они все плотнее приближаются друг к другу и все сильнее как бы переплетаются друг с другом. Некоторое схематическое представление об этом дает рисунок.

В положении I молекул в поверхностном мономолекулярном слое сравнительно мало. Поэтому они как бы «плавают» на поверхности жидкости и между ними имеются свободные промежутки. В положении II концентрация молекул в поверхностном мономолекулярном слое сильнее, они приблизились друг к другу, из «лежачего» положения они как бы начинают принимать более «вертикальное» и вместе с тем начинают как бы переплетаться между собой. В положении III концентрация молекул достигла насыщения. Они как бы полностью «выпрямились», значительно переплелись друг с другом и образовали как бы плотную стену на поверхности раздела жидкость — бактерия, которая при хлорировании воды мешает хлору проникнуть к телу бактерии и тем нарушает нормальный процесс хлорирования. В опытах об этом можно судить по уменьшению поверхностного натяжения или же путем измерения поверхностной вязкости. Последняя зависит от концентрации молекул на границе раздела, но главным образом от ориентации молекул в поверхностном мономолекулярном слое. Поэтому в разных случаях может наблюдаться одинаковая концентрация молекул на поверхности раздела, одинаковое поверхностное натяжение, но различная поверхностная вязкость, например, у разных белков.

Поверхностноактивные свойства соединений зависят, следовательно, от числа молекул на единице площади, от их ориентации и взаимного притяжения, от длины молекул, от структуры вещества и от температуры.

В наших опытах С. Я. Вышкинд изучала поверхностноактипные свойства как фактор, нарушающий нормальный процесс хлорирования. Она определяла поверхностное натяжение методом максимального

давления пузырьков при помощи прибора Ребиндера-Кантора, а также путем измерения поверхностной вязкости методом закручивания диска в приборе Трапезникова, которая выражается в паузах (Р^/Р,,».

Определяя поверхностноактивные свойства гуминовых кислот второй фракции, С. Я. Вышкинд нашла, что поверхностная вязкость их при концентрации 0,1 мг/л равнялась 0,55, при концентрации 1 мг/л — 0,59, при концентрации 10 мг/л — 0,60, между тем как поверхностная вязкость дестиллированной воды (контроля) составляла всего 0,50. Таким образом, гуминовые вещества в наших опытах оказались фактором, мешающим хлорированию, потому что они обладали повышенными ио-верхностноактивными свойствами, выраженными в повышенной поверхностной вязкости поверхностного молекулярного слоя на границе раздела жидкость — бактерия.

Но, как было указано выше, гуминовые кислоты являются коллоидами. Поэтому они как таковые могут оказать отрицательное влияние на процесс хлорирования, несмотря на наличие свободного остаточного хлора после контакта в пределах, предусмотренных санитарным законодательством.

По данным Морозова и Путиловой, Иоэлль, а также Зигмонди, дисперсность коллоидов колеблется ¡в пределах 1—100 ш. О степени дисперсности коллоидов, как известно, можно судить по опалесценции раствора или же по его коллоидной мутности. Последняя определяется электро-фотонефелометром и выражается в градусах угла гальванометра (100-х, где 100 определяет прозрачность дестиллированной воды).

В этом направлении экспериментировала Р. А. Дашевская. Ее опыты показали, что если рН = 4,8 и ниже, то находящиеся в воде гуминовые кислоты самокоагулируют и выпадают из раствора в виде хлопьев. Коллоидная мутность раствора при концентрации гуминовых кислот, равной 1—10 мг/л, составляла 5—20, а при концентрации 50—100 мг/л — 57—75 градусов угла гальванометра.

Опыты Р. А. Дашевской показали, что в нейтральной среде гуминовые кислоты коагулируют с кальцием, алюминием и железом. Выпадающие хлопья захватывают находящиеся в жидкости бактерии и тем самым защищают их от действия хлора, но не полностью. Если при этом выпавшие хлопья рыхлые (например, при взаимодействии гуминовых кислот с алюминием или железом), то защитное действие их практически очень невелико и процесс хлорирования может протекать совершенно нормально. Если же выпадающие хлопья окружают захваченные ими бактерии плотной массой (как это имеет место при взаимодействии гуминовых кислот с кальцием), то бактерицидное действие хлора может значительно понизиться, так как он тогда не может достигнуть тела бактерий. В проведенных опытах это наблюдалось при концентрации гуминовых кислот 10—100 мг/л и при прибавлении 10% хлористого кальция. Таким образом, хлопьеобразование при коагуляции гуминовых кислот тоже может мешать обеззараживанию воды хлором.

Дальнейшие экспериментальные исследования велись С. Я. Вышкичд и А. М. Федотовой с белком и с продуктами его гидролиза. Пептон является продуктом гидролиза белка и встречается в сточных водах Мясокомбинатов и заводов колбасного, клееварочного, костеобрабаты-вающего, пластмасс, кожевенных и др. Опыты показали, что при содержании в во^е пептона в количестве 1—8 мг/л нормальный процесс хлорирования нисколько не нарушается. Но уже при содержании пептона в количестве 9—10 мг/л процесс хлорирования начинает нарушаться --в ряде опытов наблюдаются «проскоки» кишечных палочек. Поверхностная вязкость таких растворов оказалась равной 0,53 (дестиллированной воды — 0,50). При содержании пептона от 20 мг/л и выше процесс хлорирования значительно извращался, титр коли почти не отличался от

4 Гигиена и санитария. № 10

контрольного. При этом, соответственно была повышена поверхностная вязкость раствора.

Таким образом, начиная с 9 мг/л, поверхностноактивные свойства пептона повышаются настолько, что превращают его в фактор, мешающий обеззараживанию воды хлором. В опытах с концентрацией пептона 100 мг/л титр коли после 30 минут контакта с хлором был такой же, как в контроле (0,0004 или 0,004 мл) и после 2 часов контакта. В этом же опыте после адсорбции части пептона животным углем, при прочих равных условиях, титр коли после 30 минут контакта с хлором повысился от 0,4 до 43 мл, а после 2 часов контакта—от 0,4 до больше 111 мл. Но даже при концентрации пептона 10—30 мг/л, но при повышении дозы хлора, с расчетом остаточного свободного хлора 0,8—1,26 мг/л, процесс хлорирования нисколько не был нарушен. Тигр кишечной палочки в хлорированной воде был больше 111 мл.

Следующие опыты велись с гидролизатом казеина — белка молока. Казеин является сырьем для пластмассового и клееварочного производства и применяется в текстильной, пищевой промышленности и в медицине. Гидролизат казеина встречается в сточных водах клееварэчных заводов, заводов пластмасс, искусственного волокна, предприятий пищевой промышленности. Опыты показали, что при концентрации в воде гидролизата казеина 1 мг/л процесс хлорирования нисколько не нарушается. Поверхностная вязкость при этом равна 0,50, как и дестиллч-рованной воды. При концентрации гидролизата казеина 2 мг/л уже начинаются «проскоки» кишечной палочки при 30-минутном контакте с хлором. При концентрации 3 мг/л эти «проскоки» встречаются в опытах и после 2 часов контакта. При этом поверхностная вязкость повышается до 0,52. При концентрации гидролизата казеина 4 мг/л и выше поверхностная вязкость раствора повышается до 0,54 и более, и процесс хлорирования полностью извращается. Титр коли равняется и после 2 часов контакта с хлором 0,0004—4 мл. Повышение дозы хлора до величины свободного остаточного хлора 0,9—1,1 мг/л после 2 часов контакта! повышает титр коли хлорированной воды более чем до 111 мл.

Желатина — протеид-белковое вещество сложного строения. Применяется в фотографии, в кондитерском и пивоваренном производстве, в виноделии, медицине и др.; получается при обработке костей, отходов кожи, сухожилий и рога. Желатина и продукты ее гидролиза встречаются в сточных водах указанных предприятий, особенно желатиновых заводов, клееварочных, костеобрабатывающих, колбасных и других. Опыты С. Я. Вышкинд и А. М. Федотовой показали, что при концентрации гидролизата желатины 1 мг/л нормальный процесс хлорирования не нарушался. При концентрации 2 мг/л начались «проскоки» кишечной палочки; при концентрации 3 мг/л и выше, процесс хлорирования полностью извращался.

Авторы ставили также опыты с аминокислотами—продуктами гидролиза белка. Исследовалось влияние на хлорирование аргинина, триптофана и цистеина. Опыты показали, что только при концентрации 1 мг/л каждой из этих аминокислот в воде процесс хлорирования нисколько не нарушается. Начиная же с 2 мг/л, поверхностная вязкость раствора повышается до 0,52, и начинаются «проскоки» кишечной палочки. Повышение дозы хлора соответственно улучшает процесс хлорирования и при больших концентрациях аминокислот.

Дальнейшие исследования Р. А. Дашевской имели целью выяснить общее количество коллоидов, а также количество органических и неорганических коллоидов, содержащихся в воде рек Невы, Охты, Карпов-ки, Мойки и Обводного канала. Для этого был использован метод ультрафильтрации, впервые примененный для количественного определения коллоидов в воде открытых водоемов Ленинграда. Для этой цели Р. А. Дашевская изготовила коллодиевые фильтры, задерживающие

частицы коллоидов в 2,3—4 тр. Вода названных открытых водоемов фильтровалась через эти фильтры под давлением 3—6 атмосфер. Общее количество коллоидов воды оказалось равным 20—45 мг/л, при этом преобладали органические коллоиды.

Затем были поставлены серии опытов со сточными водами Мясокомбината, Охтенского химического комбината, завода «Вторая пятилеткл», кожевенных заводов — «Марксист», им. Радищева и «Коминтерн», заао-дов клееварочного, лакокрасочного «Красный маляр», мыловаренного им. Карпова, прядильно-ткацкой фабрики им. Анисимова и др. Сначала были произведены химические анализы состава этих вод, а затем Р. А. Дашевская определяла их коллоидную мутность электро-фотоне-фелометром. Как показали исследования, эти сточные воды можно разделить по коллоидной мутности на три группы: к первой относятся предприятия с небольшой коллоидной мутностью — 8—16 градусов угла гальванометра; коллоидная мутность второй группы предприятий занимала среднее положение, их мутность была равна 32—67 градусам угла гальванометра; к третьей относятся предприятия с очень мутными стоками, их коллоидная мутность была равна 80—98 градусам угла гальванометра.

В последующих опытах к этим сточным водам добавлялись гумино-вые кислоты в разных соотношениях и наблюдалось увеличение коллоидной мутности смеси в течение 12 часов. Опыты показали, что максимальное увеличение коллоидной мутности наблюдалось спустя 12 часов при наибольшей концентрации гуминовых кислот и сточных вод. Это имело место при наиболее сильно выраженной коагуляции, которая была обусловлена взаимодействием электролитов сточных вод, главным образом кальция, с гуминовыми кислотами или же взаимодействием последних с коллоидами сточных вод разного заряда.

В следующих сериях опытов Р. А. Дашевской и А. М. Федотовой сточные воды указанных предприятий добавлялись к натуральной воде перечисленных выше открытых водоемов Ленинграда. Эти опыты подтвердили результаты предыдущей серии исследования. Во всех опытах при коагуляции выпавшие хлопья, захватившие находившиеся в растворе бактерии, понижали эффект хлорирования. Задержка этих хлопьез на коллодиевом ультрафильтре под давлением 5—6 атмосфер повышала бактерицидный эффект хлорирования.

Исследования С. Я. Вышкинд выяснили поверхностноактивные свойства этих сточных вод. Оказалось, что их поверхностное натяжение ва-риировало от 56 до 70,2 дин/см, а поверхностная их вязкость при разных разведениях — от 0,57 до 1,60. Такая большая величина поверхностной вязкости вод даже при разведениях, доходящих для некоторых сточных еод до соотношения 1 : 100 и даже 1 : 2 000, заранее указывала, что эти сточные воды из-за значительных своих поверхностноактивных свойств должны служить фактором, значительно мешающим нормальному процессу хлорирования. Опыты это подтвердили.

С. Я. Вышкинд и А. М. Федотова, исследуя влияние сточных вод молочного комбината, пивоваренного и клееварочного завода, установили, что сточные воды молочного комбината, а также клееварочного завода с водой реки Невы или Охты даже в разведении 1 : 1 000 не обеспечивают при нормальном технологическом процессе хлорирования надлежащий бактерицидный эффект. Даже после 2 часов контакта при остаточном свободном хлоре 0,3—0,5 мг/л титр коли и ряде опытоз равнялся только от 4 до 43 мл. Сточная вода пивоваренного завода при разведении невской воды 1 : 100 через 30 минут контакта с хлором и при свободном остаточном хлоре 0,5—0,6 мг/л в ряде опытов имела титр коли, равный 4 мл.

Таким образом, в результате произведенных экспериментальных исследований было выяснено, что факторами, мешающими обеззаражива-

4*

27

нию воды хлором или полностью извращающими этот процесс, могут быть: 1) гуминовые вещества природных вод, обладающие высокими поверхностноактивными свойствами; 2) их самокоагуляция (при низком рН) или их коагуляция электролитами или коллоидами сточных вод промышленных предприятий; 3) поступившие в открытые водоемы сточные воды промышленных предприятий, обладающие высокими по-верхностноактивными свойствами или большой коллоидной мутностью; 4) коагуляция коллоидов сточных вод составными частями натуральных питьевых вод.

Крайне желательны дальнейшие исследования, подобные описанным, с целью проверки результатов наших опытов и их углубления и уточнения. Эти исследования могут дать дополнительные очень ценные научно обоснованные данные для теоретического освещения практически весьма актуального гигиенического вопроса о факторах, мешающих обеззараживанию воды хлором, а также для разработки новых дополнительных нормативов по очистке сточных вод и по охране водоемов.

Проф. Н. М. Данциг и В. К. Беликова

Некоторые гигиенические вопросы при люминесцентном

освещении

Сообщение I

Из Института общей и коммунальной гигиены Академии медицинских наук СССР

Народнохозяйственное значение и выгоды внедрения люминесцентных ламп в практику освещения в настоящее время достаточно полно описаны .в литературе. Значительные экономические и светотехнические преимущества этих ламп позволяют широко применять их для освещения промышленных предприятий" общественных зданий и жилых домов. Это обстоятельство определило необходимость гигиенической опенки люминесцентного освещения.

В последние годы ряд гигиенических институтов и лабораторий занят сравнительной гигиенической оценкой люминесцентного освещения и освещения, создаваемого лампами накаливания. Новые люминесцентные лампы, качественно отличные от ламп накаливания, по своим спектральным и иным характеристикам являются более совершенными источниками света. Есть все основания считать, что и в гигиеническом отношении они должны обладать рядом преимуществ.

Показатели ряда физиологических функций органа зрения и общефизиологических реакций организма при люминесцентном освещении, как выявили экспериментальные наблюдения, приближаются к показателям при дневном естественном освещении.

Люминесцентные лампы имеют светоотдачу в 3—З'/г раза большую, а яркость в 100 и больше раз меньшую, чем лампы накаливания, и обеспечивают требуемое распределение светового потока по спектру.

Высокая световая отдача люминесцентных ламп позволяет пересмотреть в сторону значительного увеличения принятые у нас минимальные нормы освещенности, как не отвечающие требованиям науки о видении и гигиены.

Малая яркость поверхности люминесцентных ламп, лишь немногим превышающая допустимые по норме значения яркостей светящихся поверхностей, в значительной мере облегчает решение задачи по борьбе с блескостью и ослепленностью от осветительных установок.