Ультрафиолетовое обеззараживание как элемент многобарьерной схемы очистки воды для защиты от патогенов, устойчивых к хлорированию
DOI 10.18 821/0016−9900−2017−96−6-531−535 / УДК 614.777:628.16.085

Статья опубликована в журнале «Гигиена и санитария» в номере 6, 2017 года.

Применение ультрафиолетового (УФ) обеззараживания наиболее эффективно в совокупности с другими методами обеззараживания в составе многобарьерных схем водоподготовки. К УФ-воздействию чувствителен широкий спектр патогенов, включая патогены, устойчивые к хлорированию (вирусы и простейшие), оно приводит также к существенному снижению образования хлорорганических соединений. В работе дан обзор результатов внедрения многобарьерных схем обеззараживания с применением ультрафиолета на водоканалах крупных городов: Санкт-Петербурга и Нижнего Новгорода.

Ключевые слова: обеззараживание; ультрафиолет; хлорирование; устойчивость к хлорированию.

Жолдакова З. И., ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава России, 119991, Москва

Тульская Е. А., ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава России, 119991, Москва

Костюченко С. В., НПО «ЛИТ», 107076, Москва

Ткачев А. А., НПО «ЛИТ», 107076, Москва

Обеспокоенность профессионального мирового сообщества вызывает проблема удаления из воды вирусов, простейших и других патогенов, устойчивых к химическим методам обеззараживания. Эти патогены включают в себя Cryptosporidium, Legionella, Escherichia coli штамма О157 (E. coli O157), ротавирусы, норовирусы и др. Амебы, к примеру, могут вызывать серьезные поражения печени и головного мозга, Legionella способствует развитию тяжелой пневмонии, Helicobacter pylori часто связывают с развитием язвы желудка. К патогенам, имеющим водный путь распространения, возможно, относятся представители рода Mycobacterium. Краткий перечень наиболее распространенных водных патогенов и их свойства приведены в таблице 1 [1].
К настоящему моменту точные данные о доле инфицируемых водным путем отсутствуют; возможно лишь произвести косвенную оценку, анализируя статистику по заболеваемости, например до и после внедрения определенных барьерных технологий обеззараживания. В случае попадания патогенов в воду и начала распространения инфекции органы эпидемиологического надзора и здравоохранения зачастую не способны оценить и идентифицировать источник инфицирования, пока вспышка не достигнет значительных размеров [2]. Этот вопрос наиболее остро стоит в больших городах и мегаполисах, водоисточники которых зачастую подвергаются значительной антропогенной нагрузке вследствие высокой концентрации населения и транспорта, а также промышленных предприятий на относительно небольшой территории.

Современные исследования свидетельствуют, что вирусное загрязнение (в основном полио-, энтеро- и норовирусы) обнаруживается в большинстве (до 65%) проб сточных вод и значительно распространено в воде открытых водоемов (20% проб) [3]. Причем сезонный фактор не влияет на присутствие, но сказывается на частоте обнаружения различных типов вирусов [4].

Именно поэтому одной из важнейших задач органов санитарного надзора является контроль за соблюдение критериев обеспечения эпидемиологической безопасности воды, подаваемой населению. Задача по обеспечению безопасности воды может быть решена как использованием безопасного и защищенного водоисточника, так и совершенствованием технологий водоподготовки и обеззараживания воды.

В последние годы в индустриальных странах мира широко развиваются так называемые много- (или мульти-) барьерные схемы очистки и обеззараживания воды, суть которых состоит в обязательном применении нескольких (как минимум двух) технологий обеззараживания. В этих схемах сочетают хлорирование, ультрафиолетовую (УФ) обработку, озонирование, мембранную очистку на различных стадиях в определенных комбинациях в зависимости от конкретных задач и условий.

Одним из таких современных комплексных подходов к водоподготовке является внедрение УФ-обеззараживания на заключительном этапе технологической схемы водоподготовки вслед за другими методами обработки, которые могут включать в себя хлораммонизацию исходной речной воды, предварительное озонирование, химическую обработку воды, осветление в горизонтальных отстойниках или осветлителях со взвешенным осадком, фильтрацию на скорых фильтрах, вторичное хлорирование.

Основными стимулами, определяющими повсеместное применение УФ-обеззараживания в системах подготовки питьевой воды, являются недостаточная эффективность воздействия хлора и хлорсодержащих реагентов на некоторые опасные виды микроорганизмов (см. табл. 1) в совокупности с развивающейся мировой тенденцией к ограничению содержания в питьевой воде токсичных, мутагенных и канцерогенных галогенорганических соединений (ГСС), вызывающих целый спектр тяжелых заболеваний человека. Данные литературы свидетельствуют, что чувствительность различных микроорганизмов к воздействию дезинфектантов неодинакова. Например, эффективность действия хлора последовательно уменьшается в десятки раз в ряду: бактерии — бактериальные споры — вирусы — цисты простейших. Таким образом, наиболее устойчивы к действию хлора вирусы и патогенные простейшие [5].

При увеличении концентрации хлора для повышения эффективности острее проявляется проблема образования ГСС. Известно, что при хлорировании воды может образовываться большое количество хлорорганических соединений [6]. Вместе с тем в исследованиях, проведенных в НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина, показано, что при УФ-облучении водных растворов модельных веществ существенно уменьшаются количество и концентрации хлорсодержащих соединений (в том числе канцерогенов), образуемых при хлорировании водных растворов (табл. 2, 3).
Наряду с преимуществами обеззараживание ультрафиолетом обладает и определенными особенностями, которые необходимо принимать во внимание.

К ним следует отнести отсутствие эффекта последействия, характерного для химических способов обеззараживания и зачастую необходимого для водопроводных систем. Поэтому наиболее эффективно применение УФ-обеззараживания в комплексе с другими способами водоподготовки.

При использовании недостаточно высоких УФ-доз может наблюдаться эффект реактивации, который заключается в восстановлении микроорганизмом поврежденной цепочки ДНК. Исключение процесса реактивации [7] является одной из целей использования высоких УФ-доз (не менее 40 мДж/см2) во многих европейских странах, таких как Германия, Австрия, Франция, Норвегия, Швеция.

Для эффективного применения УФ-облучения вода должна обладать достаточно хорошей прозрачностью для УФ-волн (длина волны — 254 нм). Необходимо отметить, что вода, удовлетворяющая требованиям СанПиН 2.1.4.1074−01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» по физико-химическим показателям, обладает необходимой прозрачностью.

Кроме того, при применении УФ-облучения в дополнение к стандартным лабораторным методам санитарно-вирусологического контроля эффективности обеззараживания (таким как ОТ-ПЦР и ПЦР) в определенных случаях необходимо проведение биологического исследования в культурах ткани, что прямо указывается в МУК 4.3.2030−05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением».

Наряду со многими зарубежными исследованиями и внедрениями, в России накоплен собственный значительный научный и практический опыт по обеспечению эпидемиологической безопасности населения с использованием актуальных технологий водоподготовки и обеззараживания воды в крупных городах.

В начале 2000-х годов НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина, Московской медицинской академией им. И. М. Сеченова (сегодня — Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова) и Институтом медицинской паразитологии и тропической медицины им. Е. И. Марциновского совместно с НПО «ЛИТ» был проведен ряд исследований, направленных на изучение эффективности воздействия УФ-облучения на вирусы и цисты простейших (лямблий и криптоспоридий) [8]. В ходе работ были определены эффективные дозы УФ-облучения для различных типов вод.

Полученные данные легли в основу нормативных документов, которые послужили базой для широкого распространения УФ-обеззараживания в Российской Федерации.

Практический опыт. Знаковым проектом стало внедрение в 2005—2008 годах на то время крупнейшей в мире комплексной системы обеззараживания (хлорирование + УФ) в г. Санкт-Петербурге. Аналогичная схема была реализована в Нью-Йорке (США) лишь в 2013 году.

Необходимость в применении комплексной технологии обеззараживания в первую очередь определялась высокой микробиологической нагрузкой водоисточника — реки Невы. Постоянный высокий уровень индикаторных микроорганизмов в водоисточнике свидетельствовал об интенсивном загрязнении реки, что требовало создания множественных барьеров при водоподготовке для обеспечения эпидемиологической безопасности питьевой воды.

В 2003—2008 годах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» реализовало комплексную модернизацию системы обеззараживания питьевой воды, включавшую в себя замену жидкого хлора на гипохлорит натрия и хлораммонизацию и внедрение технологии УФ-обеззараживания. В результате были решены задачи по обеспечению безопасности эксплуатации водопроводных сооружений и повышению барьерной роли технологических схем водоподготовки в отношении устойчивых к хлору микроорганизмов.

Комплекс обработки воды УФ-облучением охватывает водоснабжение всего города и его пригорода. Максимальная суммарная проектная производительность этой системы превышает 5,5 млн м3/сут [9].

После ввода в эксплуатацию всех блоков УФ-облучения на Главной водопроводной станции были проведены исследования по оценке эффективности работы УФ-оборудования. Анализ проб воды, отбиравшихся в течение года после УФ-оборудования, позволил сделать заключение о том, что дополнительная обработка хлорированной питьевой воды УФ-облучением улучшает качество питьевой воды по микробиологическим показателям (рис. 1) [10].
Мониторинг вирусологических показателей в питьевой воде, осуществляемый службами Роспотребнадзора и ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», а также исследования, проведенные НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера, свидетельствуют о том, что в питьевой воде г. Санкт-Петербурга отсутствует вирусное загрязнение [11].

Данные об эффективности применения УФ-облучения, полученные в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», были в полной мере подтверждены исследованиями Управления Роспотребнадзора по г. Санкт-Петербургу. Заболеваемость вирусным гепатитом, А снизилась со 124 случаев на 100 000 населения в 2004 году до 3,3 случая на 100 000 в 2011 году. Таким образом, модернизация уже существовавшей технологии очистки воды была дополнена методом обеззараживания (УФ-облучение), что позволило повысить безопасность питьевой воды города. В результате жителям города подается безопасная в эпидемиологическом отношении вода, соответствующая установленным требованиям, а город Санкт-Петербург относится к числу субъектов, наиболее благополучных по обеспечению населения доброкачественной питьевой водой [10].

Еще одним крупным объектом питьевого водоснабжения, на котором применены и реализованы УФ-технологии обеззараживания в комплексе с многоступенчатым процессом водоподготовки, стала Слудинская водопроводная станция в г. Нижнем Новгороде (120 000 м3/сут) [12]. Это одна из первых в России станций, которая использовала многобарьерный подход, и первая российская станция, на которой, помимо оптимизации традиционного процесса очистки воды, совместно используются такие современные технологии, как озонирование и УФ-обеззараживание.

Технологическая схема водоподготовки на Слудинской станции включает в себя преаммонизацию на всасывающей магистрали насосов первого подъема, первичное озонирование, первичное хлорирование, подачу коагулянта (сернокислого алюминия) в смеситель, использование флокулянта, осветление в горизонтальных отстойниках или осветлителях со взвешенным осадком, фильтрацию на скорых фильтрах, вторичное хлорирование, УФ-обеззараживание.

Наличие в схеме водоподготовки нескольких технологий, направленных на обеспечение эпидемиологической безопасности воды, не только обеспечивает исключительную надежность и универсальность схемы обеззараживания, но и позволяет минимизировать недостатки, свойственные каждому из методов в отдельности, и добиться максимальной эффективности от их использования [12].

Предварительная обработка воды хлораминами минимизирует образование хлорорганических соединений и поддерживает санитарное состояние сооружений. Озонирование повышает эффективность последующей очистки воды, позволяет снизить расход коагулянта и хлора, обеспечивает первичный барьер от микробного загрязнения. Применение озонирования также позволяет добиться высокой прозрачности воды для УФ-излучения, что делает более экономичным применение УФ-обеззараживания. Блок УФ-обеззараживания располагается на заключительном этапе подготовки воды перед подачей в сеть. Совместное применение гипохлорита натрия и УФ-обеззараживания в конце технологической схемы водоподготовки создает надежный барьер от любых инфекций и гарантирует сохранение эпидемиологической безопасности питьевой воды.

По заключению Управления Роспотребнадзора по Нижегородской области «Об эпидемиологической эффективности ультрафиолетового обеззараживания» от 28.12.2011 № 08/18 979, после внедрения УФ-облучения на Слудинской водопроводной станции заболеваемость вирусным гепатитом, А по нагорной части города Нижнего Новгорода, включающей в себя Нижегородский, Приокский и Советский районы, снизилась в 14 раз (рис. 2, 3). Экономический эффект только по снижению ущерба от вирусного гепатита, А в названных районах составляет более 29 млн рублей в год. В настоящий момент в городе модернизированы еще две водопроводные станции, «Малиновая гряда» и «Ново-Сормовская», с применением тех же технологических решений, что и на Слудинской водопроводной станции. Максимальная производительность станций составляет 200 и 380 тыс. м3/сут соответственно.
Выводы

  1. Ультрафиолетовое обеззараживание наиболее эффективно при его применении в совокупности с другими методами обеззараживания, обеспечивающими пролонгированное действие (например, хлорирование), в составе многобарьерных схем водоподготовки любой производительности.
  2. Эффективность УФ-обеззараживания в отношении вирусов и цист простейших позволяет уменьшить дозировку хлорсодержащих реагентов, что приводит к уменьшению образования хлорорганических соединений.
  3. Внедрение современных многобарьерных технологических схем очистки и обеззараживания воды из поверхностных источников может значительно улучшить санитарную и эпидемиологическую защиту населения, снизить его заболеваемость гепатитом и другими опасными вирусными заболеваниями.
Благодарности. Коллектив авторов благодарит Ф.В. Кармазинова, Е.Д. Нефедову, А.А. Павлова, Ч.А. Дзиминскаса за содействие и поддержку, любезно оказанные при подготовке данной статьи, а также всех сотрудников Управления Роспотребнадзора по Санкт-Петербургу и Нижегородской области.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Финансовый интерес в отношении маркетинга описываемого медицинского оборудования, методики, лекарства и т.п. (сотрудник компании-производителя).
Литература

  1. Technical guidance on water-related disease surveillance. Ed. E. Funari, T. Kistemann, S. Herbst and A. Rechenburg, WHO (World Health Organization); 2011: 7. URL: http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0009/149184/e95620.pdf (01.04.2017).
  2. Payment P. Diseases associated with drinking water supplies that meet treatment and indicator specifications. In: W.O.K. Grabow (ed.). Water and public health. Encyclopedia of life support systems [EOLSS]. Oxford: Eolss Publishers; 2004.
  3. Сергевнин В.И., Трясолобова М.А., Кудреватых Е.В., Кузовникова Е.Ж. Частота обнаружения неполиомиелитных энтеровирусов в хозяйственно-фекальных стоках, воде и некоторых пищевых продуктах. Гигиена и санитария. 2016; 95(6): 525–8.
  4. Перескокова М.А., Резник В.И., Исаева Н.В., Скопинок И.В., Шмелева В.А., Савосина Л.В. Характеристика сточных вод как индикатора циркуляции вирусов среди населения. Дальневосточный журнал инфекционной патологии. 2006; (8): 75–80.
  5. Кудрявцев Н.Н., Костюченко С.В., Зайцева С.Г. и др. Схемы применения ультрафиолетового обеззараживания в системах питьевого водоснабжения. Водоснабжение и санитарная техника. 2008; (4): 23–7.
  6. Тульская Е.А., Рахманин Ю.А., Жолдакова З.И. Обоснование показателей безопасности для контроля за применением химических средств обеззараживания воды и необходимости гармонизации их с международными требованиями. Гигиена и санитария. 2012; (6): 88–91.
  7. Sommer R., Lhotsky M., Haider T., Cabaj A. UV inactivation, liquid-holding recovery, and photoreactivation of Escherichia coli O157 and other pathogenic Escherichia coli strains in water. J. Food Prot. 2000; 63(8): 1015–20.
  8. Романенко Н.А., Новосильцев Г.И., Недачин А.Е. и др. УФ-излучение и его воздействие на вирусы и цисты простейших. Водоснабжение и санитарная техника. 2001; (12): 13–6.
  9. Кармазинов Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Храменков С.В. (ред.) Ультрафиолетовые технологии в современном мире. Долгопрудный: Интеллект; 2012.
  10. Кинебас А.К. Внедрение обеззараживания воды гипохлоритом натрия и ультрафиолетовым облучением в системах водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга. Водоснабжение и санитарная техника. 2005; (12, ч. 1): 16–20.
  11. Жебрун А.Б., Малышев В.В., Кафтырова Л.А. и др. Обеспечение эпидемиологической безопасности питьевой воды Санкт-Петербурга. Водоснабжение и санитарная техника. 2007; (7, ч. 2): 9–12.
  12. Павлов А.А., Дзиминскас Ч.А., Костюченко С.В. и др. Современные технологии подготовки питьевой воды на Слудинской водопроводной станции Нижнего Новгорода. Водоснабжение и санитарная техника. 2010; (1): 10–6.