Методичні рекомендації Підвищення ефективності видалення вірусів на фізико-хімічних етапах водопідготовки

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ

НАКАЗ

від 8 жовтня 2007 року N 627

Про затвердження Методичних рекомендацій "Підвищення ефективності видалення вірусів на фізико-хімічних етапах водопідготовки"

Відповідно до статті 40 Закону України "Про забезпечення санітарного та епідеміологічного благополуччя населення", з метою науково-методичного забезпечення державного санітарно-епідеміологічного нагляду наказую:

1. Затвердити Методичні рекомендації "Підвищення ефективності видалення вірусів на фізико-хімічних етапах водопідготовки" (додаються).

2. Департаменту державного санітарно-епідеміологічного нагляду (Пономаренко А. М.) ці методичні рекомендації довести до відома керівників установ і закладів державної санітарно-епідеміологічної служби, міністерств, інших центральних органів виконавчої влади в установленому порядку.

3. Контроль за виконанням наказу покласти на директора Департаменту державного санітарно-епідеміологічного нагляду Пономаренка А. М.

 

Перший заступник Міністра, Головний державний санітарний лікар України

С. П. Бережнов

 

ЗАТВЕРДЖЕНО наказом Міністерства охорони здоров'я України від 8 жовтня 2007 р. N 627

Методичні рекомендації
"Підвищення ефективності видалення вірусів на фізико-хімічних етапах водопідготовки"

1. Загальні положення

Досягнення належного рівня епідемічної безпечності води, яка використовується для питних потреб, нині є актуальним завданням і, разом з тим, надзвичайно вузькою ланкою в процесах водопідготовки в Україні.

Відомо, що через воду може розповсюджуватися велика кількість збудників бактеріальних інфекцій та понад 120 видів вірусів, серед яких найбільшу небезпеку становлять віруси гепатиту A, ентеровіруси, ротавіруси, аденовіруси, каліцивіруси, астровіруси. Враховуючи складну санітарно-епідеміологічну ситуацію в Україні і труднощі щодо забезпечення населення питною водою гарантованої якості, нині конче потрібно розробити і впровадити нові технології водопідготовки, використовувати ефективні реагенти, фільтруючі матеріали, які б дали змогу отримувати питну воду, що не містить небезпечних для здоров'я людини вірусних патогенів.

Проблемою є те, що донині в Україні на більшості станцій водопідготовки застосовують стандартні технології, які розраховані на очищення і знезараження води від збудників бактеріальних, але не вірусних інфекцій. Останні належать до числа тієї складової водних об'єктів, що найбільш важко вилучаються. Це зумовлено їх малими розмірами і високою стійкістю до дезінфектантів.

Сучасні методи видалення вірусів з питної води, як правило, зосереджені на етапі знезараження, поряд з тим віруси, які належать до високодисперсних домішок води (біоколоїди), можна перевести в грубодисперсну фазу з наступним більш легким їх видаленням за допомогою способів коагуляції і флокуляції. В подальшому, агрегати, які при цьому утворюються і містять збудників інфекційних захворювань вірусної природи, можуть бути вилучені із води за допомогою осадження і фільтрування.

Результати практичних досліджень, отриманих науковцями різних країн, свідчать про те, що тільки на етапах фізико-хімічного очищення можна видалити більше ніж 99 % вірусів.

Крім того, ефективне фізико-хімічне очищення води сприяє не тільки зменшенню вмісту збудників інфекційних хвороб, але і зниженню концентрації деяких органічних сполук, що, у свою чергу, підвищує ефективність процесу знезараження на кінцевому етапі водопідготовки.

Зважаючи на вищевказане, в розроблених методичних рекомендаціях викладено багаторічний досвід роботи з різними коагулянтами, зокрема, сульфатом алюмінію (далі - СА), оксисульфатом алюмінію (далі - ОСА), оксихлоридом (далі - ОХА) та оксихлоридсульфатом алюмінію (далі - ОХСА). Показано ефективність видалення ними вірусів із води та дано практичні рекомендації щодо оптимального застосування цих реагентів у практиці водопідготовки.

Методичні рекомендації призначені для використання спеціалістами державної санітарно-епідеміологічної служби, що здійснюють контроль за якістю води централізованого водопостачання, при розслідуванні спалахів кишкових інфекцій з водним шляхом передачі збудників та можуть бути використані суб'єктами господарювання, що працюють в галузі водопідготовки.

2. Роль коагулянтів в очищенні води

Нині у багатьох країнах забезпечення населення доброякісною питною водою, яка б задовольняла сучасні вимоги, є однією з головних проблем профілактики інфекційної захворюваності, що мають водний шлях передачі збудників. На жаль, унаслідок значних матеріальних та часових затрат прямий вірусологічний контроль за якістю води проводиться значно рідше, ніж цього потребує стан водогінних споруд та епідситуація.

Поряд з цим постає не менш важливе питання - контроль за окремими етапами проведення водопідготовки, оцінка ефективності різних реагентів та технологічних прийомів для видалення вірусів, які вже застосовуються або тільки плануються до впровадження. Традиційно найбільшої уваги дослідники надають кінцевому етапу - знезаражуванню води. Тому цей етап є більш вивченим, хоча і його оцінці щодо знешкодження вірусів все ще не надається належної уваги. При цьому поза увагою науковців, санітарно-епідеміологічної служби та технологів залишається вивчення та оцінка ефективності фізико-хімічного етапу очищення води від біологічних об'єктів за допомогою коагулянтів і флокулянтів і, зокрема, ефективність процесів видалення вірусів з води за допомогою цих реагентів.

Найбільш небезпечні біологічні агенти (бактерії, віруси) знаходяться у воді у колоїдному стані. Колоїдні дисперсії є стабільними у воді, оскільки вони мають велику площу поверхні порівняно з їх масою. Тому лише одні гравітаційні сили не можуть ефективно видалити колоїди, зокрема і віруси, способом седиментації, тобто відстоюванням.

Ефективність видалення цих колоїдних дисперсій із води залежить від електрокінетичних властивостей їх поверхонь. Більшість колоїдних часток у воді заряджені негативно. Зарядом колоїдної частки можна керувати шляхом зміни характеристик водної дисперсії. Модифікації включають зміни pH води або іонного складу розчину. Використовують також коагулянти, частоти яких позитивно заряджені у воді і здатні взаємодіяти з негативно зарядженими колоїдними частками, що прискорює і підвищує вилучення вірусів за допомогою відстоювання та фільтрування.

Найбільш: поширеними реагентами в світовій практиці водопідготовки залишаються коагулянти, виготовлені на основі солей алюмінію або заліза. Для коагуляції широко застосовують коагулянти сульфат алюмінію та хлорид алюмінію. Поряд з тим, вони мають ряд істотних недоліків: підвищену чутливість до температури та pH води, утворюють у результаті гідролізу пухкі частки гідроокису алюмінію. Так, під час обробки води з низькою температурою, коли її в'язкість зменшується, а гідратація часток гідроокису алюмінію підвищується, швидкість процесів утворення пластівців та їх осадження різко знижується. При цьому відбувається швидке забруднення фільтруючої загрузки, а у воді залишається висока концентрація залишкового алюмінію.

Значною мірою недоліки вказаних традиційних коагулянтів відсутні в освоєному вітчизняною промисловістю поліалюмінієвому коагулянті ОХА. Практичне застосування цього реагенту свідчить про ряд переваг, що впливають на режим його використання порівняно з СА, та рівень очистки води, а саме:

- має полімерну структуру, що прискорює утворення пластівців, збільшує їх густину, а отже прискорює осадження скоагульованої суспензії;

- зниження робочої дози коагулянту не менше як на 30 % у порівнянні з СА;

- ефективне видалення завислих часток та органічних речовин, зокрема хлорорганічних сполук та тих, що зумовлюють кольоровість;

- забезпечення вмісту залишкового алюмінію менше ніж 0,2 мг/дм3;

- стабільність процесу коагуляції при температурі води менше ніж 5° C;

- менша кислотність, отже придатність для очистки води з невеликим резервом лужності;

- розширення діапазону оптимальних значень pH, особливо в бік низьких значень;

- відсутність знижування лужності і pH оброблюваної води сприяє зменшенню швидкості корозії металів у системах водопостачання і теплопостачання, дає змогу відмовитися від використання лужних агентів, і у порівнянні з традиційними коагулянтами в 10 разів зменшує кількість введених у воду аніонів.

Як можна помітити, всі вивчені властивості цих коагулянтів стосуються лише органолептичних та хімічних показників якості води і поза увагою залишена їх здатність видаляти віруси та інші патогенні мікроорганізми з води.

Для вивчення цього питання дуже складно застосовувати безпосередньо патогенні віруси, оскільки такі дослідження займають багато часу, потребують значних матеріальних затрат та залучення до роботи висококваліфікованого персоналу. Доцільним є використання модельного організму, вибір якого б ґрунтувався на подібності у механізмах реагування з сорбентами та близьких рівнях резистентності до видалення ними патогенних вірусів. Результати досліджень, виконаних в Державній установі "Інститут гігієни та медичної екології ім. О. М. Марзєєва АМН України", свідчать про те, що як модель вірусів на етапах водопідготовки найбільш доцільно використовувати соматичний ДНК-коліфаг T2, хазяїном якого є E.coli C або E.coli B.

Визначення кількості соматичних фагів у вихідній воді та на окремих етапах водопідготовки в динаміці в різні сезони року дає змогу досить чітко виявити слабкі місця в технології видалення вірусів як за рахунок фізико-хімічних процесів, так і за рахунок знезараження.

Представлені Методичні рекомендації розроблено на основі порівняльного вивчення коагулянтів, які на практиці використовуються в процесах водопідготовки і відрізняються своєю хімічною будовою та ефективністю вилучення забруднень з поверхневих вод. Це традиційні коагулянти СА та ОСА і нові прогресивні коагулянти ОХА (марки "Полвак" 68 і 80, виробництва "Полінорм", Україна) та ОХСА (виробництва "Захлебен" Німеччина).

3. Вплив параметрів на ефективність видалення вірусів за допомогою коагулянтів

Оптимальні умови застосування коагулянтів для очищення природних вод від вірусів залежать від багатьох параметрів вихідної води, зокрема: pH, температури, іонної сили, лужності, кольоровості, окислюваності. В табл. 1 наведено параметри окремих з цих факторів для ефективного видалення вірусів.

Таблиця 1

Оптимальні параметри для ефективного видалення вірусів із води за допомогою коагулянтів 

Параметри	Коагулянти
		СА	ОСА	ОХА68,80	ОХСА
Лужність, мг-екв/дм3	2,0 - 3,0	2,0 - 3,0	1,0 - 4,0	1,0 - 4,0
Іона сила, г-іон/дм3	0,02 - 0,03	0,02 - 0,03	0,02 - 0,03	0,02 - 0,03
pH	6,5 - 8,5	6,5 - 8,5	6,0 - 8,0	6,0 - 8,0
Температура	При зниженні температури знижується ефективність очищення води від вірусів		Зниження температури не впливає на ефективність очищення води від вірусів

З підвищенням лужності у вивченому інтервалі (1 - 5 мг-екв/дм3) відбувається монотонне зниження електрокінетичного потенціалу частинок продуктів гідролізу (далі - ЧПГ) СА та ОСА. Гідратація поверхні їхніх часток проходить через максимум, локалізований у ділянці 3 мг-екв/дм3. Найбільш ефективним є видалення вірусів при лужності 2 - 3 мг-екв/дм3, тобто в умовах, коли заряд ЧПГ ще досить високий, і, в той же час, гідрофільність їх також висока. В умовах низької лужності (1 мг-екв/дм3) ЧПГ СА та ОСА мають високий заряд, однак у цьому випадку може відбуватися неповний гідроліз солей, і, крім того, гідратація ЧПГ досить мала. Найменш ефективний результат досягається в умовах мінімального заряду і мінімальної гідратації ЧПГ. Це може свідчити про те, що взаємодія ЧПГ з фагом відбувається через водневий зв'язок, а енергія їхньої взаємодії, як і слід було очікувати, підсилюється у разі збільшення зарядів протилежно заряджених часток.

Для ефективної адсорбції вірусів коагулянтами ОХА та ОХСА значення лужності у діапазоні 1 - 4 мг-екв/дм3 має рівнозначний вплив на видалення вірусів з води. Можна вважати, що фізико-хімічні властивості ОХА дають змогу видаляти віруси у широкому діапазоні лужності за наявності визначених оптимальних дозах коагулянтів. При потребі застосування низьких доз коагулянтів оптимум видалення вірусів відбувається при лужності 2,0 мг-екв/дм3.

У разі збільшення іонної сили розчину відзначається поступове стискання подвійного електричного шару як вірусів, так і ЧПГ коагулянтів. Це приводить до зниження заряду і потенціалу досліджуваних колоїдних і біоколоїдних часток, що, у свою чергу, зменшує кількість ЧПГ коагулянтів. Іншими словами, реальна діюча доза коагулянтів повинна знижуватися, що і зафіксовано у досліді.

Суттєвим недоліком СА та ОСА є зниження їх коагулюючої ефективності при низьких значеннях температури води. Дані, отримані під час дослідження впливу різних температур на процес видалення вірусів за допомогою коагулянтів СА та ОСА, свідчать про значний негативний вплив цього фактора на очистку води від вірусної складової. В той же час на ефективність роботи нових коагулянтів ОХА та ОХСА не впливає низька температура. Результати наших досліджень свідчать про те, що коагулянти ОХА і ОХСА мають незаперечну перевагу перед СА та ОСА у вирішенні проблеми очистки води від вірусів у холодний період року.

Регулювання pH води є суттєвим для підвищення ефективності вилучення вірусів за допомогою коагулянтів. Отримані результати підтвердили існуючу закономірність зниження ефективності адсорбції при лужних значеннях pH, що обумовлено амфотерними властивостями білкової оболонки вірусу. Але це проявлялось тільки за умов низьких доз коагулянтів ОХА та ОХСА. У разі збільшення доз коагулянтів до величин практичного застосування, які визначаються експериментально, адсорбція вірусів при pH води 7 - 8, яка характерна для більшості водойм України, проходила майже на однаковому оптимальному рівні. І лише при pH 9,0, яка не є характерною для вод України, видалення вірусів відбувалося вкрай незадовільно. Тому отримані результати свідчать про незначний вплив pH на процес видалення вірусів у разі застосування оптимальних та більш високих доз реагентів.

Ефективні дози коагулянтів (табл. 2), які забезпечують 99,9 % видалення вірусів з води, визначено на прикладі водопідготовки на Дніпровській та Деснянській водогінних станціях м. Києва. При всіх параметрах води (табл. 3) ефективність коагуляційного видалення вірусів (кишкових бактеріофагів, поліо- та ротавірусів) за нашими даними зростала в ряду СА < ОСА < ОХСА < ОХА68 < ОХА80. Підвищення основності ОХА сприяло росту його ефективності щодо видалення вірусів з води. Більш ефективна дія ОХА та ОХСА щодо вірусів у воді р. Десна свідчить про активнішу взаємодію розчинних органічних сполук з продуктами гідролізу коагулянтів (показник кольоровості води р. Десна майже вдвічі менший, ніж р. Дніпро).

Таблиця 2

Діапазон ефективних для видалення вірусів концентрацій коагулянтів (по Al2O3) 

Коагулянти	р. Дніпро	р. Десна
СА	15 - 20 мг/дм3	10 - 20 мг/дм3
ОСА	15 - 30 мг/дм3	10 - 30 мг/дм3
ОХА68,80	10 мг/дм3	5 мг/дм3
ОХСА	10 - 15 мг/дм3	5 - 15 мг/дм3

Таблиця 3

Фізико-хімічні показники якості річкової води 

Показники якості	р. Дніпро	р. Десна
Кольоровість, град	32 - 58	23 - 31
Каламутність, мг/дм3	1,3 - 2,0	6,2 - 6,5
Лужність, мг-екв/дм3	2,4 - 2,8	3,7
pH	7,85 - 8,1	7,95 - 8,4
Окислюваність, мг/дм3	7,6 - 9,28	5,6 - 7,6

Тому на практиці, беручи до уваги більш ефективну дію основних коагулянтів (ОХА та ОХСА) щодо видалення вірусів з води, особливо при низьких температурах, необхідно рекомендувати застосовувати на водогонах більш сучасні коагулянти з метою отримання високоякісної питної води, що не містить патогенних вірусів. Це буде сприяти покращенню епідситуації і недопущенню виникнення водних спалахів вірусних захворювань.

4. Рекомендації щодо застосування коагулянтів для ефективного видалення вірусів з води

В Україні розроблено ДСанПіН "Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання", затверджених наказом Міністерства охорони здоров'я від 23.12.96 N 383. Документ не знайшов належної реалізації. Донині (2007 р.) не відмінено застарілий ГОСТ 2871-82 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством", який не відповідає сучасним вимогам щодо якості питної води.

З урахуванням значної тривалості, трудомісткості, високої вартості вірусологічних досліджень у ДСанПіН введено ряд непрямих показників, дотримання яких дає змогу досягти достатньо високого ступеню очищення води від вірусів (табл. 4).

Таблиця 4

Непрямі показники задовільної очистки води від вірусів 

Показники	Їх значення
Мутність	0,5 НОМ
Залишковий алюміній	0,2 мг/дм3
Вільний хлор у складі хлорнуватистої кислоти	0,5 мг/дм3
Кольоровість	менше 20°
pH	6,8 - 7,2
Коліфаг T2	відсутність в 1 дм3

Найбільш визначальними показниками очистки води є каламутність, залишковий алюміній та відсутність кишкових бактеріофагів. Дотримання комплексу цих показників дає змогу значно знизити епідемічну загрозу, яку становить забруднення води.

У табл. 5 наведені результати проведеного нами аналізу показників мутності та залишкового алюмінію в пробах води одного з кращих водогонів України у разі застосування коагулянту СА. Одночасно виконано порівняльні дослідження води щодо наявності соматичних бактеріофагів відносно хазяїна E.coli B у разі застосування коагулянтів СА та ОСА (табл. 6).

Таблиця 5

Процент відхилень проб за показниками мутності та залишкового алюмінію 

Пори року	Мутність більше 0,5 НОМ	Залишковий алюміній більше 0,25 мг/дм3
Зима	85,7	37,5
Весна	69,2	23,0
Літо	35,7	7,1
Осінь	50,0	21,4

Таблиця 6

Ефективність очистки води від коліфагів у разі застосування коагулянтів сірчанокислого алюмінію та оксихлориду алюмінію 

Об'єкт	Процент позитивних проб (P ± m)	Концентрація БУО/дм3 фагів у позитивній пробі води	Процент позитивних проб (P ± m)	Концентрація БУО/дм3 фагів у позитивній пробі води
		Сірчанокислий алюміній		Оксихлорид алюмінію
Вихідна вода	23,6 ± 5,9	145	75,8 ± 8,5	497
Вода після очистки	23,6 ± 5,9	28	3,3 ± 0,9	2
Процент очистки (P ± m)	0	80,7 ± 5,3	72,5 ± 7,6	99,6 ± 5,9

За наявності такої ситуації проблема інтенсифікації очистки води від вірусів набуває особливої актуальності. Тому санітарно-епідеміологічна служба має ставити питання перед відповідними відомствами щодо небезпечності для населення використання води, очищеної за допомогою застарілих технологій, та наявності ризику виникнення інфекційних захворювань як вірусної, так. і бактеріальної природи з водним шляхом передачі збудників інфекцій.

Отримані результати з використанням модельного вірусу, соматичного фагу T2, були підтверджені в напівпромислових умовах у разі застосування вакцинного штаму поліовірусу 2 типу (далі - ПВ). Використання коагулянту СА та ОСА в дозах 20 - 30 мг/дм3 за Al2O3 дає змогу видалити з води р. Десни лише 55,6 - 66,7 % вихідної величини ПВ, а з води Дніпра - 66,7 - 77,8 %. В той же час у разі застосування 15 мг/дм3 за Al2O3 коагулянтів ОХА та ОХСА було досягнуто майже 100 % видалення ПВ незалежно від типу води.

Поряд з вказаним, нами було вивчено деякі механізми взаємодії вірусів з ЧПГ ОХА. Виявлено виражену адсорбцію пластівцями ОХА вірусів, що унеможливлювало їх десорбцію. У разі застосування багатьох елюентів вдавалося десорбувати лише незначну частину внесеного вірусу, тобто спостерігалась незворотність процесу вказаної взаємодії. Це в свою чергу унеможливлює інфікування вірусами клітин хазяїна, що ми розглядаємо як наявність антивірусної активності у ОХА.

Виявлене явище має важливе практичне значення для очистки води від вірусів, і не менш важливе теоретичне - спрямоване на синтез інших полімерних коагулянтів для очистки від вірусів води та інших рідин, які застосовуються в різних галузях медицини та біології.

Потрібно вказати на те, що, на жаль, на деяких водоканалах в Україні процеси коагуляції та флокуляції, застосовують, як правило, тільки у теплий період року (виходячи з показників каламутності, кольоровості води) і не застосовують, або застосовують лише низькі дози у холодний період року. Проте саме при зниженні температури вірогідність циркуляції вірусів у поверхневих водоймах та водоочисних спорудах є найвищою. Відсутність на спорудах ефективної коагуляції і флокуляції свідчить про недостатню увагу технологів до проблеми видалення вірусів за допомогою цих процесів. Як було вказано, надто часто основним критерієм застосування коагулянтів є тільки показник каламутності води, проте бактеріофаги та інші віруси виділяються також при каламутності 0,5 - 1,0 мг/дм3 і нижче.

У разі застосування ефективних концентрацій коагулянтів і флокулянтів, визначених дослідним шляхом, можна не тільки значно знизити кількість вірусів у воді, але й спростити проведення наступних етапів очистки води, оскільки виникає можливість зменшити дози знезаражуючих агентів на кінцевому етапі водопідготовки. Це в свою чергу, має позитивне значення для зменшення концентрацій хлорорганічних та інших вторинних сполук у питній воді.

Таким чином, розробка ефективних технологічних параметрів очистки води від вірусів спрощується завдяки використанню модельного коліфагу T2. Беручи до уваги більш ефективну дію основних коагулянтів (ОХА та ОХСА) щодо видалення вірусів з води, особливо низьких температурах, можна рекомендувати водогонам переважне застосування цих реагентів, контролюючи при цьому відповідність концентрацій коагулянтів та такі параметри води як каламутність, кольоровість, окислюваність, лужність, іонна сила, температура, pH.

Потрібно вказати, що високий ступінь видалення вірусів може бути досягнутий лише у разі належної ефективності процесу фільтрації. Тому надто важливим є показник залишкового алюмінію.

Проведення комплексу натурних та експериментальних досліджень дало змогу зробити висновок, що фізико-хімічний етап водопідготовки є ведучим (головним, провідним) у процесі видалення вірусів з води. Він має переваги у порівнянні з етапами знезараження, які потребують введення великих доз дезінфектантів з огляду на високу стійкість до них вірусів. Високі дози дезінфектантів, в свою чергу, посилюють негативний ефект з точки зору токсикології. Не менш цінною є також наявність вираженої адсорбції вірусів оксихлоридом алюмінію, яка трактується нами як антивірусна активність цього реагенту, що надає перевагу полімерним коагулянтам та знижує епідемічну безпечність під час утилізації утворюваних ними осадів.

 

Директор Департаменту державного санітарно-епідеміологічного нагляду

А. М. Пономаренко