Перспективы низкочастотного ультразвука для обеззараживания воды

Л. Ш. Тазиева, Р. К. Закиров, Ф. Ю. Ахмадуллина

ПЕРСПЕКТИВЫ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Ключевые слова: низкочастотный ультразвук, обеззараживание воды, уравнение регрессии.

Исследовано влияние низкочастотного ультразвука на эффективность обеззараживания вод культурно-бытового назначения от E. coli. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее обеззараживающий эффект ультразвука в зависимости от трех параметров: интенсивности, продолжительности ультразвукового обеззараживания, а также начальной зараженности проб воды.

Keywords: low-frequency ultrasound, disinfection water, equation of regression.

The influence of low-frequency ultrasound to disinfection of water from E. coli was studded. The equation of regression of disinfection of water was obtained from 3 variable: intensity, continuance of ultrasound disinfection and level infectiousness of water.

Использование плавательных бассейнов спортивного, общего и медицинского назначения занимает значительное место в спортивной и социальной сфере современного общества и вносит существенный вклад в оздоровление населения развитых стран. За последние годы в России активно строятся новые и реконструируются существующие общественные бассейны, аквапарки и частные купальные бассейны, что диктуется необходимостью укрепления здоровья населения. Однако эта цель может быть достигнута только в том случае, если их устройство, а главным образом, эксплуатация позволяют соблюдать соответствующий режим, отвечающий необходимым гигиеническим требованиям.

Анализ литературных данных, опыт работы очистных сооружений водопроводных станций и плавательных бассейнов показали, что наиболее высокая степень обеззараживания достигается при использовании сильных окислителей - хлора и озона [1-5]. Однако хлорирование и гиперхлорирование, что характерно для малых объектов культурнобытового назначения, приводят к образованию высокотоксичных соединений, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами. Наиболее опасны тригалометаны. Они оказывают отдаленные последствия на здоровье: происходит мутация обмена веществ, хромосом, возможны наследственные изменения вплоть до врожденных уродств [6].

Высокая вероятность заглатывания воды, обработанной дезинфектантом, подтвержденная экспериментально [7], а также повышенная концентрация легколетучих и наиболее опасных хлорсодержащих соединений в воздухе плавательных бассейнов, что подтверждено исследованиями специалистов НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН [8], значительно повышают риск отравления посетителей малых объектов культурно-бытового назначения.

Что касается озона, его канцерогенные свойства [9], отсутствие постэффекта при обеззараживании [10], образование токсичных продуктов, в том числе формальдегида,

способствующего развитию онкологических заболеваний [11], сложность аппаратурного оформления и необходимость в специальной подготовке обслуживающего персонала [12], а также отсутствие методов и аппаратуры для оперативного контроля эффективности обеззараживая воды озонированием снижают перспективы использования озона для малых бассейнов с низкой нагрузкой, в том числе частных.

В связи с этим, востребованной задачей сегодняшнего дня является разработка альтернативного хлорированию и озонированию метода обеззараживания воды культурнобытового назначения, который обеспечивал бы эпидемическую безопасность в отношении грибковых, вирусных, бактериальных и паразитарных заболеваний, передаваемых через воду, и предупреждал бы возможность вредного влияния химического состава воды на организм человека, в том числе раздражающего действия на слизистые и кожу, и интоксикацию при поступлении токсичных веществ при дыхании, через поврежденную кожу и при заглатывании воды.

Ретроспективный анализ трудов показал, что таким эффективным способом дезинфекции может стать ультразвуковая обработка воды. Уже в ранних работах было отмечено бактерицидное действие ультразвуковых колебаний. В экспериментальных условиях различные исследователи наблюдали гибель кишечной палочки, дизентерийной палочки, ЕЬегШе11а 1урЬова, вегетативных и споровых форм Бай. БиЫШв, туберкулезной палочки и других бактерий [13-14]. В работах Фальковской было показано значительное бактерицидное действие ультразвука как на вегетативные, так и споровые формы микроорганизмов, а также его независимость от мутности и цветности обрабатываемой воды [15], в то время как для хлорирования характерна существенная зависимость его бактерицидного действия от концентрации дисперсной фазы и недостаточное сильное действие на споровые формы микроорганизмов. Также установлено разрушительное действие ультразвуковых волн на вирусы [16].

Кроме того, ряд технологических преимуществ ультразвуковой обработки воды обусловливает перспективность и целесообразность ее использования при дезинфекции вод культурно-бытового назначения. Так, в отличие от ионизирующих излучений при использовании ультразвука не требуется биологическая защита. Процессы с применением ультразвука можно осуществить в аппаратах без перемешивающих устройств, выполненных из любых материалов, независимо от режима их проведения. Это определяет возможность применения данного метода для усовершенствования существующих технологий при сравнительно небольших затратах [17].

Целью настоящих исследований являлось изучение эффективности ультразвуковой обработки для обеспечения санитарно-гигиенической надежности воды культурнобытового назначения.

Оценка эффективности использования низкочастотного ультразвука для достижения поставленной цели осуществлялась относительно кишечной палочки. ЕЕ выбор в качестве микробиологического объекта был обусловлен тем, что содержание колиформных бактерий - один из основных микробиологических показателей воды согласно [18,19], а также с возможностью сопоставления эффективности различных методов обеззараживания (хлорирования, озонирования, ультразвука).

Экспериментальные исследования проводили на модельных водах с имитацией заражения кишечной палочкой, для чего использовали препарат «Колибактерин».

Озвучивание проб исследуемых вод проводили на ультразвуковой установке УЗДН-

А. Режим ультразвуковой обработки составлял: интенсивность I - от 6 до 10 вт/см2, продолжительность т - от 3 до 7 минут.

Оценка обеззараживающего эффекта низкочастотного ультразвука осуществлялась по относительному показателю (Э,%):

Э

N '

где No, N1 - число Е. coli (КОЕ/100 мл) в контрольной и опытных пробах воды.

Наличие кишечной палочки определяли прямым посевом на агар Эндо. Кратность разведения составляла 1:100 и 1:1000.

Учитывая нагревание пробы воды при ее озвучивании, в работе измеряли начальную и конечную температуры исследуемых проб.

Для получения достоверной информации опыты дублировались.

Обобщенные результаты серии экспериментов приведены на рисунке 1.

6.15 П8.7 В9.0 012.39

_________________________________________В__________________________________________

Рис. 1. - Влияние степени зараженности воды (п-10 КОЕ/100 мл) и режима ультразвуковой обработки на эффективность дезинфекции:а) Т = 3 мин; б) 5 мин; в) 7 мин

Анализ графического материала свидетельствует о следующем. Интенсивность ультразвуковой обработки, равная 6 Вт/см2, во всем интервале продолжительности озвучивания не обеспечивает санитарно-гигиеническую надежность обработанной воды. Полное обеззараживание для всех исследованных проб воды наблюдается при режимах: Л - 8 Вт/см2, т - 7 мин и независимо от времени ультразвуковой обработки при

Л - 10 Вт/см2. Следует отметить влияние начальной обсемененности воды Е. соїі на эффективность ее обеззараживания, явно выраженное для более мягких режимов ультразвукового воздействия.

Для оценки влияния трех параметров: интенсивности, продолжительности ультразвукового обеззараживания, а также начальной зараженности проб воды была проведена

математическая обработка экспериментальных данных. В качестве регрессионной модели была использована полиномиальная зависимость второго порядка функции трех переменных:

к к-1 к

у = Ьо +ЕЬ • X; +£^ЬІІхіхІ + £• х2 і=і і=і і=і+і і=і

где у - эффективность обеззараживания воды по контрольным показателям, %; Ь - коэффициенты уравнения регрессии; Хі - начальная обсемененность проб воды, кл/л;Х2 - интенсивность ультразвукового воздействия, Вт/см2; Хз - продолжительность ультразвукового воздействия, мин.

Коэффициенты полученного регрессионного уравнения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты регрессионного уравнения

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ь11 Ь22 Ь33 Ь12 Ь13 Ь23

-223,366 0,926 13,028 50,434 -0,004 1,123 -1,623 -0,023 0,004 -3,148

2

Высокое значение коэффициента детерминации (К = 0,87) свидетельствует о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных данных и подтверждает адекватность полученного уравнения регрессии.

Невозможность графически изобразить целевую функцию, зависящую от трех переменных, обусловило для исследования взаимного влияния управляющих факторов построение поверхностей функции двух переменных у = f (Х;, х) при определенном значении третьей. Более наглядно полученную информацию демонстрируют проекции полученных поверхностей.

На рисунке 2 представлена зависимость эффективности обеззараживания воды от ее начальной зараженности и интенсивности ультразвуковой обработки при постоянном значении продолжительности озвучивания.

Полученное регрессионное уравнение позволяет прогнозировать эффективность обеззараживания в интервале изученной обсемененности воды Е. соїі при любых условиях ультразвукового воздействия и, как следствие, осуществлять выбор режима ультразвуковой обработки, обеспечивающего санитарно-гигиеническую надежность обработанной воды.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили высокую эффективность ультразвуковой обработки воды культурно-бытового назначения для ее обеззараживания от кишечной палочки.

2

Рис. 2 - Зависимость эффективности обеззараживания от интенсивности (Вт/см ) и времени озвучивания (мин) при постоянной начальной обсемененности воды

Литература

3. Красовский, Г.Н. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов/ Г.Н. Красовский, Б.М. Кудрявцева// Гигиена и санитария. - 1998. - №2. -С. 5-7.

4. Паскуцкая, Л.Н. Очистка и обеззараживание воды в плавательных бассейнах/ Л.Н. Паскуцкая, В.Л. Драгинский, Г.Л. Медриш, Д.Л. Басин// Водоснабжение и санитарная техника. - 1980. - №9.

- С. 3-5.

5. Вандышев, А.Б. Особенности обеззараживания озоном воды в плавательных бассейнах рециркуляционного типа. А.Б. Вандышев, В.А. Куликов, С.Н. Никишин, Р.Л. Акрамов// Гигиена и санитария. - 2006. - №6. - С. 76-78.

6. Гончарук, В.В. Современное состояние проблемы обеззараживания воды / В.В. Гончарук, Н.Г. Потапченко // Химия и технология воды. - 1998. - Т.20. - №2. - С. 19 - 21.

7. Рябченко, В.А. Действие озона для обработки воды плавательных бассейнов / В.А. Рябченко, Н.А. Русланова // Гигиена и санитария. - 1986 . - №4. - С. 20 - 23.

8. Филова, В.А. Вредные химические вещества. Галоген - и кислородсодержащие органические соединения / В.А. Филова. - М.: СПб., 1994. - 105с.

9. Подуст, А.Н. Книга о вкусной и здоровой... воде/ А.Н. Подуст. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - 134 с.: ил.

10. Жолдакова, З.И. Вопросы гармонизации гигиенических требований к плавательным бассейнам с международными рекомендациями/ З.И. Жолдакова// Гигиена и санитария. - 2010. - №2. - С. 93-96.

11. Куликов, В.А. Очистка и обеззараживание оборотной воды плавательных бассейнов озоном / В.А. Куликов, А.Б. Вандышев, В.М. Макаров, Т.Б. Усова, С.Н. Никишин, И.В. Данилов // Водоснабжение и санитарная техника - 1988. - №6. - С. 7 - 9.

12. Кожинов, И.В. Особенности применения озона на водоочистных станциях России / И.В. Кожинов,

В.Л Драгинский, Л.П. Алексеева // Водоснабжение и санитарная техника. - 1997. - №10. - С. 2-6.

13. Драгинский, В.Л. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды / В. Л. Драгинский, Л.П. Алексеева // Водоснабжение и санитарная техника

- 2002. - №2. - С. 9-13.

14. Методические рекомендации по применению озонирования и сорбционных методов в технологии очистки воды загрязнений природного и антропогенного происхождения. - М.: НИИ КВОВ, 1955. - С. 2-5.

15. Эльпинер, Л.И. О санитарно-показательном значении кишечной палочки при обеззараживании воды ультразвуком / Л.И. Эльпинер // Гигиена и санитария. - 1961. - №10. - С.13-16.

16. Закиров, Р.К. Эффективность ультразвуковой обработки при обеззараживании сточных вод органического синтеза / Р.К. Закиров, Ф.Ю. Ахмадуллина, Н.Н. Валеев; Казан. технолог. ун-т. -Казань, 2000. - 7с.- Деп. в ВИНИТИ, № 1701/В00.

17. Фальковская, Л.Н. Обеззараживание питьевой воды ультразвуковыми колебаниями / Л.Н. Фальковская // Гигиена и санитария. - 1956. - №1. - С.11-14.

18. Эльпинер, И.Е. Ультразвуковые волны в микробиологии / И.Е. Эльпинер // Микробиология. -1952. - Т.21, №2. - С.228-237.

19. Закиров, Р.К. Интенсификация процесса биологической очистки сточных вод с применением методов реагентной и ультразвуковой обработки: дис. канд. техн. наук / Р.К. Закиров. - Казань, 2001.- 160с.

20. Справочник по очистке природных и сточных вод / под ред. Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мель-дер, Б.Н. Репин. - М.: Высш. шк., 1994. - 336 с.

21. Герасимов Г.Н. Обеззараживание коммунальных питьевых вод: необходимость и возможности / Г.Н.Герасимов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2000. - №10. - С. 32-36.

© Л. Ш. Тазиева - магистр каф. промышленной биотехнологии КГТУ, tazieva_leysan@mail.ru; Р. К. Закиров - доц. той же кафедры, zakrus@mail.ru; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. той же кафедры.