Исследование бактерицидной активности пероксида водорода в сточных водах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование бактерицидной активности пероксида водорода в сточных водах

Дрововозова Т.И., ORCID: 0000-0002-8724-7799, доцент, доктор технических наук

Паненко Н.Н., ORCID: 0000-0003-4426-7762, ассистент

Кулакова Е.С., ORCID: 0000-0001-6778-1401, Кандидат технических наук, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

Аннотация

Исследование бактерицидной активности пероксида водорода в сточных водах.

В работе представлены результаты исследования бактерицидной активности пероксида водорода с целью выявления эффективной концентрации и времени экспозиции в отношении санитарно-показательных микроорганизмов E.coli и общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерий, находящихся в сточных водах, прошедших очистку на биологических прудах.

Ключевые слова: очистка, сточная вода, пероксид водорода, микрофлора.

Abstract

The study of bactericidal activity of hydrogen peroxide in the wastewater.

Drovovozova T.I.¹, Panenko N.N.², Kulakova E.S.³

¹ORCID: 0000-0002-8724-7799, Associate professor, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0003-4426-7762, Assistant, ³ORCID: 0000-0001-6778-1401, PhD in Engineering, Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University

The work presents the study results of bactericidal activity of hydrogen peroxide, with the aim to identifying the effective concentration and exposure time to sanitary-indicative microorganisms E. coli, and common coliform and thermo-tolerant coliform bacteria in wastewater, cleared in the biological ponds.

Keywords: water cleaning, wastewater, hydrogen peroxide, microflora.

В последнее время качественно изменился подход к решению проблемы охраны окружающей среды, неотъемлемой частью которой является охрана и рациональное использование водных ресурсов. Во многих официальных документах определён перечень неотложных задач, направленных на ослабление негативных с экологических и санитарно-гигиенических позиций последствий поступления в природные водоёмы недостаточно очищенных сточных вод. Среди них снижение доз препаратов, оказывающих неблагоприятное воздействие на природную среду и самого человека, особенно обладающих способностью образовывать канцерогены и мутагены в результате химической трансформации примесей воды.

Практика применения хлора в процессе обеззараживания, особенно сточных вод, характеризующихся высоким значением ХПК, а также исследования последних лет выявили ряд присущих ему серьезных недостатков, прежде всего, это образование в воде хлорорганических соединений, которые показывают высокие уровни генотоксической активности в отношении человека и живых организмов (тригалометаны, хлорбензол, хлорфенол, хлорамины, четыреххлористый углерод и целый ряд других). Многие из указанных соединений способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и по трофическим (пищевым) цепям попадать в организм человека. Хлорорганические соединения характеризуются высокой стойкостью к биодеструкции, и поэтому вызывают загрязнение рек на больших расстояниях вниз по течению. Так, например, в ряде штатов США повышенная токсичность следов остаточного хлора и хлораминов вызвала необходимость ограничить остаточную концентрацию хлора в сбросных водах до 0,1 мг/л [1,2].

Выше указанные доводы приводят к необходимости замены хлора на стадии обеззараживания на менее опасные окислители, не вызывающие появление в воде вторичных более опасных загрязнений.

Наиболее перспективным методом обеззараживания воды является УФ-облучение, высокоэффективное при обеззараживании от бактерий, вирусов и патогенных простейших, но в отличие от окислительных методов не вызывающее образование вторичных токсикантов. Применение УФ-излучения для обеззараживания очищенных сточных вод позволяет оптимально решать экологические проблемы.

Обеззараживающий эффект УФ-облучения выше, чем хлорирования и обеспечивает инактивацию как обычных патогенных вегетативных и споровых кишечных бактерий, так и вирусов, в частности, гепатита A и Е, полиомиелита и других.

Строящиеся и проектируемые в настоящее время за рубежом станции обеззараживания имеют плотность ультрафиолетового потока от 50 мДж/см² до 100 мДж/см². Только при таких нормативах ультрафиолетового потока происходит эффективная инактивация патогенной микрофлоры в системах водоочистки. Именно эти цифры были приведены практически во всех докладах 2-го Международного конгресса по ультрафиолетовым технологиям в июле 2003 года в г. Вене. При этом прозрачность водной среды должна быть не хуже 85 %, а количество взвешенных частиц не более 1 мг/л.

Качество воды во всех регионах (городах) России существенно хуже, чем приведённые выше параметры, а используемая ультрафиолетовая техника не способна обеспечить требуемых для инактивации доз ультрафиолетового излучения. Действующие в России плотности ультрафиолетового потока в 16-20 мДж/см² для питьевой воды и 28-40 мДж/см² для хозяйственно-бытовых и промышленных стоков не обеспечивают эффективной инактивации патогенной микрофлоры. Повышение доз УФ-облучения приводит к повышенному расходу электроэнергии, что значительно удорожает процесс очистки. Более того, необходимо учитывать повышение устойчивости микрофлоры к воздействию хлора и ультрафиолета.

Пероксид водорода Н₂О₂ относится к немногим окислителям, применение которого не сопровождается экологически вредными последствиями. Литературные данные и практический опыт применения пероксида в процессах водоподготовки и водоотведения показывает, что указанный препарат характеризуется рядом технологических преимуществ [3-12]: 1) возможность обработки вод в широком диапазоне значений концентрации, температуры и реакции среды (рН); 2) пероксиду водорода присуща высокая селективность окисления различных примесей, что, в свою очередь, позволяет минимизировать затраты на другие, подчас весьма дорогие, реагенты; 3) в отличие от многих других окислителей, пероксид водорода характеризуется стабильностью; 4) его практическое применение не требует сложного аппаратурного оформления (как, например, в случаях с хлором и ультрафиолетом). Наконец, следует отметить еще одно важное обстоятельство: остаточная концентрация пероксида водорода способствует протеканию процессов аэробной биологической очистки, а в природных водах Н₂О₂ в отличие от остаточного хлора, играет позитивную роль [12].

Исходя из вышеизложенного, целью работы являлось изучение бактерицидного эффекта пероксида водорода, как реагента для обеззараживания сточных вод Кадамовских очистных сооружений (КОС), расположенных в г. Новочеркасске Ростовской области.

С целью выяснения наиболее эффективной концентрации пероксида водорода при обеззараживании сточной воды с эколого-гигиенической точки зрения нами была изучена бактерицидная активность пероксида водорода в отношении санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов.

С этой целью были проведены две серии опытов. В первом случае, брали предварительно простерилизованную воду, в которую затем вносили санитарно-показательные микроорганизмы E.coli в количестве 1,2·10⁴ кл/см³. Температура проб на всем протяжении опыта составила 20±1 ^oС. В пробы инфицированной воды вводили: 0,1; 0,2; 0,4; 0,7 и 1,0 г/л в пересчёте на чистый Н₂О₂(соответственно 0,01; 0,02; 0,04; 0,07 и 0,1 %-ный растворы Н₂О₂). Время экспозиции составляло 120 мин. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1- Эффект обеззараживания воды при различных концентрациях пероксида водорода

^* N_t - количество выживших в воде после обработки микроорганизмов, кл/см³;

N₀ - исходное количество микроорганизмов в инфицированной воде, кл/см³.

Полученные результаты показывают, что увеличение концентрации Н₂О₂ в 2 раза по сравнению с 0,1 г/л увеличивает бактерицидный эффект более чем в 7,5 раз, увеличение в 4 раза - примерно в 8 раз, увеличение в 7 раз - более чем в 12 раз, а увеличение в 10 раз - в 20 раз.

Чем больше концентрация Н₂О₂, тем меньше требуется времени экспозиции для полной инактивации санитарно-показательных микроорганизмов, т.е. при концентрации Н₂О₂ 0,7 г/л полная инактивация достигается при времени экспозиции 120 мин, а при 1,0 г/л - через 60 мин.

Таким образом, для достижения полной инактивации микроорганизмов в сточных водах необходимы более высокие концентрации, что вполне согласуется с работами [5,6, 13].

Поскольку микробиологическими показателями санитарного состояния сточных вод являются общие колиформные (ОКБ) и термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ), то второй серией опытов являлось изучение бактерицидной активности Н₂О₂ в различных концентрациях в отношении вышеуказанных микроорганизмов.

К общим колиформным бактериям (ОКБ) относят грамотрицательные не образующие спор палочки, не обладающие оксидазной активностью, способные расти на дифференциальных лактозных средах (типа Эндо). Термотолерантные колиформные бактерии входят в группу колиформных организмов, оказывают существенное влияние на качество воды. Они содержат также род Escherichia (E.Coli), Klebsiella, Enterobacter и Citrobacter. (Норматив ОКБ и ТКБ в сточных водах перед выпуском в водоём - 100 кл/см³) [14].

С этой целью в сточную воду, отобранную после биологических прудов, вносили раствор пероксида водорода в концентрациях 0,15; 0,3; 0,45; 1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 г/л в пересчёте на чистый Н₂О₂ (соответственно: 0,015; 0,03; 0,045; 0,15; 0,3; 0,45 и 0,6 %-ный растворы Н₂О₂). Исходное содержание ОКБ в сточной воде (N₀) составило 5,07•10⁸, ТКБ - 4,97•10⁷ кл/см³.

В первой серии опытов в пробы сточной воды вносили, соответственно: 0,15, 0,3 и 0,45 г/л в пересчёте на чистый Н₂О₂. Время экспозиции 10 мин. Температура проб на всем протяжении опыта составила 20±1 ^oС. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Бактериологические показатели, после введения в сточную воду пероксида водорода различной концентрации

* К - глубина обеззараживания реагента, определяемая по формуле:

K=lg()

Результаты исследований показали низкую эффективность пероксида водорода в изучаемых концентрациях в отношении ОКБ и ТКБ и указали на необходимость увеличения времени экспозиции. В связи с этим, во второй серии опытов был изучен бактерицидный эффект пероксида в концентрациях, соответственно: 1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 г Н₂О₂/л и бактерицидное последействие вышеуказанных концентраций. С целью достижения требуемого эффекта время экспозиции увеличили до 60 мин. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Бактериологические показатели, после введения в сточную воду пероксида водорода различной концентрации

Повышение концентрации Н₂О₂ в 10 раз (для концентрации 4,5 гН₂О₂/л) по сравнению с предыдущим опытом и увеличение времени экспозиции до 60 мин показало снижение количества ОКБ и ТКБ в сточной воде в 10 раз. Для концентрации 6,0 гН₂О₂/л уже через час достигается полная инактивация ОКБ и ТКБ.

Таким образом, эффективная концентрация, позволяющая достигнуть достаточной инактивации патогенной микрофлоры в сточной воде с учётом норматива, находится в интервале 4,5 - 6,0 гН₂О₂ /л.

При определении бактерицидного последействия изучали микробиологическое состояние проб, обработанных пероксидом, через 2, 24 и 48 часов. Результаты исследований показали, что полная инактивация микроорганизмов во всех пробах (1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 гН₂О₂/л) достигается через 2 часа, достигнутый эффект во всех пробах сточных вод сохраняется в течение 2 суток.

Проведённые исследования позволили сделать следующие выводы:

- для достижения требуемого бактерицидного эффекта в отношении санитарно-показательных микроорганизмов E.coli при времени экспозиции 60 мин эффективной концентрацией пероксида является 1,0 гН₂О₂/л; увеличение времени экспозиции до 120 мин показывает эффективность концентрации пероксида в 0,7 г/л;

- для достижения требуемой инактивации патогенной микрофлоры в сточной воде (ОКБ и ТКБ) эффективная концентрация достигает 6,0 г Н₂О₂ /л при времени экспозиции 60 мин;

- увеличение времени экспозиции до 120 мин позволяет получить требуемый эффект обеззараживания общих колиформных и термотолерантных колиформных бактерий уже при концентрации 1,5 гН₂О₂/л, одновременно с этим, будет достигнут норматив и по коли-индексу;

- таким образом, снижение дозы реагента может быть достигнуто за счет увеличения времени экспозиции.

бактерицидный пероксид обеззараживание сточный

Литература

1. Федоров, Л. А. Диоксины в питьевой воде / Химия и жизнь, № 1, 2009 Режим доступа: http://chemistryandchemists.narod.ru

2. Федоров, Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы - Москва: ВО «Наука», 1993. 238 с.

3. Н₂О₂. Peroxyde d'hydrogene: Porte par Ca vague ecoloque [Text]// Inf. Chim. - 1991. - № 334. - P. 134 - 144.

4. Механизмы бактерицидного действия перекиси водорода [Текст]/Н.И. Самойленко, Е.И. Васильева, И.Б. Павлова [и др.] // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. - 1983. - № 2. - С. 30 - 33.

5. Cantoni, O. Molecular mechanisms of hydrogen peroxide cytotoxicity [Text]/ O. Cantoni, G. Вrandi, L. Salvaggio // Ann. Inst. Super Sanita. - 1989. - V. 25. - № 1. - P. 69 - 73.

6. Изучение aнтимикробного действия пероксида водорода в присутствии различных металлов [Текст]/Н.Г. Потапченко, В.В. Илляшенко, В.Н. Косинова [и др.] // Химия и технология воды. - 1994. - Т. 16. - № 2. - С. 203 - 209.

7. Гигиеническое изучение качества питьевой воды, обеззараживаемой перекисью водорода [Текст]/Н.В. Миронец, Р.В. Савина, П.П. Власова [и др.]// Гигиена и санитария. - 1984. - № 3. - С. 86 - 87.

8. Селюков, А.В. Использование пероксида водорода в технологии физико-химической очистки промышленных сточных вод [Текст]/А.В. Селюков, А.И. Тринко// Экол. химия водной среды: материалы II Всесоюз. школы (Ереван, 11-14 мая 1988 г.) / под. ред. Ю.И. Скурлатова. - М.: - ИХФ АН СССР, 1988.

9. Селюков, А.В. Применение экологически чистых окислителей для очистки сточных вод [Текст]/А.В. Селюков, С.Н. Бурсова, А.И. Тринко// обзор. информ./ ВНИИ НТПИ. - М., 1990. - С. 12-13.

10. Hairston, D. Astarring role for hydrogen peroxyde [Text]// Chemistry Engineering (USA). - 1995. - V. 102. - № 7.

11. Slater, D. Depollution des efflunents du traitement de surfaces parie e peroxyde d'hydrogene [Text]/D. Slater, N. De Roffignac // Eau, ind., nuiasances. - 1995. - № 186.

12. Скурлатов, Ю.И. Определяющая роль окислительно-восстановительных процессов в формировании качества природной водной среды [Текст] // Успехи химии. - 1991. - Т. 60, - № 3. - С. 140-142.

13. Пероксид водорода в технологиях обеззараживания воды: эколого-экономический аспект: монография / И.А. Денисова, Т.И. Дрововозова, Н.В. Ляшенко [и др.]; под ред. В.В. Денисова - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2011. - 150 с.

14. Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод: метод. указания МУ 2.1.5.800-99 Минздрав России. М, 2000. 13 с.

Размещено на Allbest.ru