Автореферат и диссертация по медицине (14.00.07) на тему:Гигиеническое обоснование условий обеззараживания воды с механизма его действия на бактериальную клетку

ол

На правах рукописи КИРЬЯНОВА ЕВГЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА

ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ С УСЛОВИЙ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ С МЕХАНИЗМА ЕГО ДЕЙСТВИЯ НА БАКТЕРИАЛЬНУЮ КЛЕТКУ

14.00.07. - Гигиена

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Москва - 1997

Рабога выполнена в Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения РФ

Научный руководитель:

- доктор медицинских наук, профессор В.Т.Мазаев

Научный консультант:

- доктор медицинских наук, профессор Л.А.Ряпис

Официальные оппоненты:

- доктор медицинских наук А.В.Тулакин

- кандидат медицинских наук А.Е.Недачин

Ведущее учреждение - Российская академия постдипломного образования Министерства здравоохранения Российской Федерации.

Защита состоится "_"_1997 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д.074.05.07 при Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова по адресу: г. Москва, Б. Пироговская ул., 2-6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ММА им. И.М. Сеченова (Зубовская пл. 1)

Автореферат разослан "_"_1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор медицинских наук

А.А. Королев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

В 1983 году, в ходе "Международного десятилетия питьевого водоснабжения и санитарии", Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по безопасности пищевых продуктов принял решение считать питьевую воду и воду, используемую для приготовления пищи, "пищевым продуктом" и рекомендовал санитарный надзор за пищевыми продуктами и питьевой водой объединить в общую систему безопасности.

В нашей стране при решении вопроса обеспечения населения доброкачественной питьевой водой неукоснительно соблюдается главный принцип — гигиенический подход к обоснованию безопасности и безвредности состава питьевой воды.

Питьевая вода должна быть благоприятной по органолеп-тическим свойствам, безвредной по химическому составу и безо-пасной в эпидемическом и радиационном отношении. При несоблюдении этих требований вода может стать фактором неблагоприятного влияния на здоровье человека. Возникновение некоторых эндемических заболеваний неинфекционной природы связано с химическим составом воды. Использование для питья воды, загрязненной промышленными стоками, содержащими потенциально опасные вещества, или же вымывание их из водовмещающих горных пород может приводить к появлению интоксикаций. Химическое загрязнение воды обычно не вызывает острых эффектов в отличие от микробного загрязнения, последствия которого могут быть немедленными и широкомасштабными. Наиболее ярко выражена роль воды в распространении кишечных инфекций: брюшного тифа, холеры, дизентерии Флекснера, гепатита А, гепатита Е, сальмонеллезов и др.

В системе обеспечения эпидемической безопасности питьевой воды большую роль играет ее обеззараживание реа-гентными и безреагентными методами. Одним из таких методов является широко известный метод озонирования, ко-

торый применяется для обеззараживания питьевой воды около ста лет. За это время озон зарекомендовал себя как надежный дезинфектант, обеспечивающий эффективное и надежное обеззараживание питьевой воды (С.Н. Черкинский, H.H. Трахтман, 1962, Р.Д. Габович, 1964, А.П. Ильницкий, А.Я. Хесина, С.Н. Черкинский, JI.M. Шабад, 1968, H.H. Таран, 1971, В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов, 1974, С. Gomel-la, 1972, E.W. Diaper, 1977).

Остаются нерешенными или спорными ряд вопросов, связанных с гигиеническим обоснованием режима озонирования и подготовкой питьевой воды. Разноречивы данные о зависимости эффективности озонирования от величины pH и температуры воды, нет единого мнения о необходимом времени действия озона (Б.П. Вахлер, 1965, S. Faroog, R.S. Eng-elbrecht, E.S.K. Chian, 1977, B.Z. Diamant, 1978, Legeron, 1977, 1978, 1979). Отдельными авторами высказывается мнение о возможности ухудшения бактериального состава озонированной воды в процессе ее хранения (H.A. Русанова, В.А. Рябченко, A.M. Скидальская, 1973, В.А. Рябченко, Н.С. Андреева, Т.Б. Упра-нова, 1973, 1979, С.М. Palmer, 1962, К. Stalder, W. Klosterkotter, 1976, G. Luczak, M. Rubak, В. Ranke-Rubiska, 1980). При подготовке питьевой воды на водопроводах для определения наиболее надежных и экономичных параметров обеззараживания дозы реагентов подбираются экспериментальным путем в каждом конкретном случае, так как химический состав и физико-химические свойства воды поверхностных источников питьевого водоснабжения (основных по объему используемой воды) — непостоянны.

Опыт других наук позволяет предложить для изучения процесса озонирования метод математического планирования эксперимента с разработкой математической модели процесса (В.В. Налимов, H.A. Чернова, 1965, В.В. Налимов, 1971). Данный метод дает возможность сократить время, затрачиваемое на экспериментальные исследования, позволяет в полной мере интегрировать комплексное влияние всех

факторов, к тому же действующих разнонаправленно, и получить оптимальные параметры процесса озонирования для воды конкретного качества.

Проведенные нами исследования являются продолжением обобщенной научной темы плана НИР I ММИ им. И.М. Сеченова "Гигиеническая и токсикологическая оценка новых химических веществ, реагентов и методов очистки питьевых и сточных вод, влияние на условия жизни и здоровье населения"; № гос. per. 81003290, 1985 г.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью работы явилось обоснование оптимальных условий процесса обеззараживания питьевой воды озоном и метода определения необходимой дозы озона с помощью математической модели процесса озонирования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Получить новые и расширить имеющиеся данные о влиянии физико-химических свойств воды и условий озонирования на эффективность обеззараживания ее озоном.

2. Определить последствия воздействия озона на актив-ностьнекоторых ферментов (дегидрогеназ, декарбокси-лаз, оксидаз), ДНК и ультраструктуру бактериальных клеток.

3. С учетом бактериологических, биохимических и морфологических исследований разработать математическую модель процесса озонирования и апробировать ее в производственных условиях.

4. Разработать методику прогнозирования результатов обеззараживания питьевой воды озоном.

5. Разработать методику определения расчетным способом оптимальной дозы озона, обеспечивающей эпидемическую безопасность воды.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

При изучении многофакторного процесса обеззараживания воды с помощью математического моделирования в бактериологических экспериментах было показано значительное преимущество данного метода перед традиционными, основанными на искусственном вычленении в эксперименте отдельных факторов.

Определена значимость факторов, влияющих на результат обеззараживания, выявлены парные взаимодействия факторов и их влияние на эффективность озонирования.

Впервые создана математическая модель, адекватно описывающая процесс озонирования питьевой воды в натурных условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Оценка эффективности озонирования питьевой воды известного состава с помощью разработанной математической модели.

Разработана методика прогнозирования результатов озонирования с заданными дозой озона и временем его введения для воды известного качества.

Разработана методика определения расчетным способом оптимальной дозы озона, обеспечивающей эпидемическую безопасность воды с заданными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Возможность использования метода математического планирования эксперимента при изучении процессов обеззараживания воды;

2. Адекватность математической модели озонирования воды технологическому процессу обеззараживания питьевой воды на водопроводе;

3. Метод расчета оптимальной дозы озона при обеззараживании воды различного качественного состава.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований доложены в Московской Бассейновой СЭС в 1985г., на семинаре "Гигиенические аспекты обеззараживания питьевой воды" в Н. Новгороде в 1991г., а также на межкафедральной конференции гигиенических кафедр и кафедры эпидемиологии ММА им. И.М. Сеченова 25 марта 1997 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, 3 глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов и библиографического указателя. Содержание диссертации иллюстрировано 20 таблицами, 25 рисунками, 9 приложениями. Список литературы включает 133 наименования, в том числе 49 иностранных авторов.

ПУБЛИКАЦИИ. По диссертации опубликовано 8 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

Решение поставленных задач потребовало различных по своему характеру методов исследования. Эксперименты по обеззараживанию воды проводились на озонаторной лабораторной установке в условиях, приближенных к практике водоснабжения, с применением стандартизованных бактериологических методик.

В качестве тест-объекта была выбрана E.coli, сохраняющая свое санитарно-показательное значение и при озонировании питьевой воды. Исследования проводились с музейным штаммом E.coli 675, полученным в Государственном институте стандартизации и контроля медицинских биологических препаратов им. Л.А.Тарасевича. В генетических исследованиях в качестве модельных были выбраны различные штаммы S.typhi-murium ТА 1535, ТА 1538, ТА 100, ТА 98 и E.coli AB 1157, AB 1886, AB 2463, имеющие различную чувствительность к дезинфектантам. Все штаммы предварительно подвергались проверке на чистоту культуры, а также

соответствие морфологическим, биохимическим и культу-ральным свойствам. Выявленные признаки соответствовали паспортным данным.

Использовалась 18-24 часовая культура, выращенная при 37°С в термостате на питательном агаре. Величина исходного заражения определялась по оптическому стандарту мутности ГИСК им. JI.A. Тарасевича с последующим внесением бактериальной взвеси в испытуемую воду. Истинная величина инициального заражения подтверждалась методом контрольного высева.

Коли-индекс до и после обеззараживания определялся методом мембранных фильтров, которые накладывались на среду Эндо и помещались в термостат на 24-48 часов при температуре 37°С. По истечении периода инкубации проводился учет выросших колоний.

Концентрация остаточного озона определялась йодометр-ическим методом после барботажной колонки по истечении срока экспозиции.

Определение активности дегидрогеназ кишечной палочки проводилось по методике Тунберга в модификации Перши-на. Активность декарбоксилаз определялась методом тонкослойной хроматографии на модели глютаминовой кислоты (Arch. Hyg.Bacteriol,1968). Использовались пластинки типа "Lucefol". Способность кишечной палочки ферментировать лактозу и глюкозу изучалась на полужидких питательных средах с индикатором BP. Оксидазная активность бактерий выявлялась по стандартизованной методике.

Мутагенное действие озона изучалось на культурах модельных штаммов в логарифмической фазе роста, отмытых от бульона и ресуспендированных в автоклавированной водопроводной воде. Необходимое исходное заражение готовилось по

1 Электронная микроскопия проведена в лаборатории МНИИЭМ им. Н.Г. Габричевского.

2 Разработка модели процесса озонирования осуществлялась совместно со ст. науч. сотр. лаборатории химической кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова, к.т.н. Черновой H.A.

оптическому стандарту мутности. При селекции мутантов использовали минимальную среду, содержащую по 0.7 мкг/ мл гистидина, пролина, аргинина или лейцина. Учет результатов осуществлялся после 48 часов инкубации при 37° С.

Определение жизнеспособности этих штаммов проводилось на полноценной питательной среде после выдерживания в термостате в течение 24 часов при температуре 37°С. Летальность устанавливали по количеству бактерий, выросших из озонированной воды в сравнении с контролем.

Исследование морфологии (ультраструктуры) кишечной палочки проводилось методом электронной микроскопии1.

Полученные данные подвергались статистической обработке с применением общепринятых в санитарной статистике методов (И.П. Ашмарин и др., 1975). Достоверным принималось различие при Р<0.05. Был использован также одно-, двух- и трехфакторный дисперсионный анализ (А.М.Мерков, Л.Е.Поляков, 1974). Обработка данных для получения кривых выживаемости кишечной палочки проводилась по методике К. Смит и Ф. Хенеуолт (1972).

Для получения математической зависимости результатов

обеззараживания от качества исходной воды была составлена 7-2

матрица типа 2 , содержащая 32 точки. Разработку модели проводили в несколько этапов: предварительное изучение объекта, построение модели, установление ее адекватности, интерпретация2.

Уравнение регрессии решалось методом наименьших квадратов. Коэффициенты соответствующего уравнения вычислялись из принципа минимизации суммы квадратов отклонений экспериментальных точек от теоретических по формуле:

где и - коэффициент регрессии, с- отклонение, I - номер опыта, п - число опытов.

3 Программа разработана к.ф-м.н. А.Н. Герасимовым.

п 2

¡-1

Однородность дисперсий проверялась с помощью критерия Отах (Л.П. Рузинов, Р.И. Слободчикова, 1980). Проверка адекватности модели проводилась по Р-критерию Фишера (В.В. Налимов, 1982). Оценка значимости коэффициентов модели выполнялась построением доверительных интервалов для них с помощью критерия Стьюдента. При построении модели использовалось определение движения по градиенту методом "крутого восхождения".

Статистическая обработка данных эксперимента проводилась на ЭВМ типа БЭСМ и ЕС, программирование - на языке Фортран.

Визуализация математической модели процесса озонирования проведена по специально разработанной программе на персональной ЭВМ типа 1ВМ РС АТ3.

2. ВЛИЯНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОЗОНОМ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ.

В соответствии с поставленной задачей выявлены закономерности влияния физико-химических свойств воды, ее исходного бактериального загрязнения и условий обеззараживания на эффективность озонирования.

Наибольший интерес представляло изучение зависимости эффективности озонирования от рН и температуры воды, т.к. до настоящего времени мнения исследователей противоречивы. В экспериментах установлена стабильность бактерицидного эффекта озона при изменении рН в пределах от 5 до 9 и снижение последнего с 98,6% до 95.7% при повышении температуры воды с 4 С до 25°С.

Экспериментально подтверждено ухудшение результата озонирования с возрастанием цветности (с 10° до 50°), мутности (с 1.5 до 5 мг/л) и исходного бактериального загрязнения (с 10000 до 150000 м.т. в 1 л) обрабатываемой воды.

Внешние факторы, диапазон варьирования (по возрастанию) в условных единицах

2 3 4 5

СЛ

03 «

В о

м

0

Н

П

(О

"в"

т «

1 I

в.

4Г Н

И «

из

50

60

70 -

80

90

Ч

Ч ."•

V

V

100

110

...........-доза озона ( от 1мг/л до 5.0 мг/д))

—а—время введения озона (от 2 до 10 мин.)

.....Исходное бактериальное загрязнение (от 10000 до 150000 м.т. в 1л)

- - - а— цветность (в градусах от 10 до 50) --•■--• мутность (от 1.5 мг/л до 5.0 мг/л) -•••■•- температура воды (от 4 С до 50 С)

- -X' -активная реакция воды (рН от5 до 9)

Рис. 1. Влияние факторов среды на бактерицидный эффект озона

Установлено изменение эффективности обеззараживания при варьировании количественно-временных параметров озонирования (дозы озона и времени его действия). Возрастание дозы озона с 1.0 до 5.2 мг/л улучшает конечные результаты обеззараживания воды. Доказано, что эффективность обеззараживания тем выше, чем быстрее вводится доза озона. Данная закономерность прослеживается при дозах озона 1.0 и 3.0 мг/л, которые поступали в воду в течение 2, 4, 6, 8, 10 и 5, 10 минут соответственно. Полученные результаты объясняются более быстрым накоплением пороговой (и выше) концентрации озона в воде за счет повышения парциального давления озоно-воздушной смеси в контактной камере при введении заданной дозы озона за меньший промежуток времени.

Полученные данные о зависимости эффективности озонирования от качества исходной воды и условий озонирования представлены графически. Поскольку все факторы имеют разную размерность, на оси X они представлены в условных единицах.

На рисунке видно, что все изученные в эксперименте факторы (за исключением рН) влияют на результат озонирования. Наибольшая вариабельность результатов отмечается у факторов: доза озона, время его подачи и исходноге бактериальное загоязнение. Действие дозы озона - противоположно направлено, т.е. если при увеличении показателей других факторов бактерицидный эффект озона снижается, то с увеличением дозы озона - повышается. Бактерицидный эффект озона в диапазоне рН от 5 до 9 остается стабильным.

Обобщая результаты исследований можно сказать, что эффективность бактерицидного действия озона зависит от состояния водной среды, в которую вводится озон и условий, при которых осуществляется обеззараживание.

Имеющиеся в литературе данные о возможности реактивации микроорганизмов в озонированной воде в процессе ее хранения в наших исследованиях не подтвердились. Увеличения количества бактерий в воде различного качества, хранившейся после озонирования в течение 10 суток, не отмечено.

3. О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ ОЗОНА НА БАКТЕРИАЛЬНУЮ КЛЕТКУ.

Эффективность повреждающего действия химического агента на биологические объекты может во многом определяться условиями воздействия озона на бактериальную клетку, а также состоянием ее внутренней среды. Поэтому одной из задач нашего исследования являлось изучение некоторых сторон патогенеза воздействия озона на бактерии. При этом нас интересовало каковы наиболее ранимые структуры клетки и метаболические процессы, имеется ли этапность процесса воздействия озона, существует ли триггерный механизм воздействия озона, необходимы ли эти данные наряду с факторами внешней среды при разработке математической модели озонирования.

При изучении механизма действия озона на бактериальную клетку предположили сходство в механизме действия озона и хлора, т.к. оба реагента являются сильными окислителями и относятся к ядам общего действия.

Воздействие озона на метаболизм кишечной палочки устанавливалось по изменению активности дегидрогеназ (глюкозы, формальдегида, глицерина, этилового спирта, янтарной и глютаминовой кислот), декарбоксилазы (глютаминовой кислоты) и оксидаз. В эксперименте испытаны дозы озона 5.0 мг/л, 10.0 мг/л, 15.0 мг/л, время озонирования 10 минут.

Установлено,что степень активности всех изученных энзимов и бактерицидный эффект в значительной мере зависят от дозы озона. Наиболее устойчивой является дегидрогеназа янтарной кислоты, активность которой полностью сохраняется при воздействии дозы озона 5.0 мг/л. Наиболее выражено снижение активности дегидрогеназы формальдегида: при дозах озона 5.0, 10.0 и 15.0 мг/л наблюдается угнетение ее активности на 26.92%, 46.94% и 61.9% соответственно.

При изучении декарбоксилазы глютаминовой кислоты отмечено, что с увеличением дозы озона с 5.0 до 15.0 мг/л имеет место дозозависимое снижение активности декарбо-ксилирования. Если в контроле практически половина глю-

таминовой кислоты превращается в гамма-аминомасляную кислоту, то при воздействии дозы озона 5.0 мг/л декарбо-ксилирование снижалось в 2 раза по сравнению с контролем; при дозе же озона 10.0 мг/л декарбоксилирование глютами-новой кислоты практически полностью отсутствовало.

Влияния озона на оксидазную активность E.coli 675 и ее способность сбраживать лактозу и глюкозу не зарегестриро-вано (исследовано 1600 колоний из контрольной и 3200 из озонированной воды).

Выявление кинетики инактивирующего и мутагенного действия различных концентраций озона на генетически маркированные штаммы E.coli и S.typhimurium проводилось при трехкратном независимом воспроизведении этих экспериментов.

На генетически маркированных вариантах E.coli и S.typhimurium, дефектных по функциям гесА и uvr генов, показано, что наблюдается прямая связь между концентрацией озона и выживаемостью, а также частотой реверсий к прототрофности по различным маркерам ауксотрофности (arg, pro, his). Кроме того, гесА и uvr гены корректируют изменения ДНК, индуцируемые озоном. Все это свидетельствует, что в основе этих эффектов лежит воздействие озона на многие локусы ДНК бактериальных штаммов обоих видов микроорганизмов, использованных в качестве модельных.

Морфологические изменения бактериальной клетки определялись методом электронной микроскопии после воздействия на бактерии доз озона 5.0 мг/л и 10.0 мг/л. В опытных образцах после воздействия дозы озона 5.0 мг/л обнаруживается множество вакуолизированных клеток. Форма их резко изменена. У многих особей нарушена структура мембран стенки. У клеток, форма которых нарушена незначительно, можно дифференцировать рибосомы и нуклеоид.

Воздействие дозы озона 10.0 мг/л приводит к тому, что большинство клеток резко деформировано, имеет звездчатую форму или причудливые очертания. Палочковидные особи практически не встречаются. Поверхностные структуры, как

правило, имеют признаки различной степени разрушения. Цитоплазма гомогенизирована и вакуолизирована.

Из представленных данных видно, что наряду с изменениями ферментативной активности отмечаются значительные структурные и морфологические изменения бактерий, кроме того озон воздействует на многие локусы бактериальной ДНК.

Таким образом, одной из особенностей воздействия озона на бактерии является одновременное повреждение многих морфологических структур клетки приводящих к ее гибели. Степень повреждения в значительной мере зависит от дозы озона; процесс развивается очень быстро и практически выявить какую-либо этапность не представляется возможным. Такие выводы позволяют не включать процессы, происходящие во внутренней среде бактериальной клетки при воздействии озона, в число факторов, влияющих на эффективность обеззараживания. Они в достаточной мере будут отражены через такие факторы внешней среды как доза озона, время его действия, температура обеззараживаемой воды и др.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ОЗОНОМ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ

При разработке математического плана санитарно-бакте-риологического эксперимента учитывалось влияние на эффективность озонирования следующих независимых факторов: доза озона (X!); активная реакция воды (Х2); температура воды (Х3); время введения дозы озона в воду (Х4); исходное бактериальное загрязнение (Х5); цветность воды (Х6); мутность воды (Х7). Были определены интервалы их варьирования, выбор которых обоснован опытом практики питьевого водоснабжения, данными научных и собственных экспериментальных исследований, нашедшими отражение в нормативных документах санитарного законодательства (табл.1).

Таблица 1

Параметры факторов среды и условия озонирования, исследованные в эксперименте

№ фак-торо в Факторы среды и единицы их измерения Усло-в ные обозначения Фактические значения уровней факторов

1 Доза озона (мг/л) Хх 5 10

2 Активная реакция воды (рН) х2 5 9

3 Температура воды (°С) Х3 5 25

4 Время введения дозы озона (мин) х4 5 10

5 Исходное бактериальное заражение (количество м. т. в 1 л) х5 5000 100000

6 Цветность воды (градусы) х6 10 50

7 Мутность воды по каолину (мг/л) х7 1 5

В качестве тест-объекта оценки эффективности обеззараживания воды была принята кишечная палочка. За значение выходного параметра "У" (результат обеззараживания), в соответствии с гигиеническими требованиями, принимали количество E.coli в 1 л обеззараженной воды не более 3.

В ходе дальнейших исследований была выбрана матрица 7 2

планирования типа 2 , которая включала 32 комбинации всех факторов на разных уровнях и одну — при средних уровнях всех факторов. Параметры введены в матрицу в кодированных единицах.

В соответствии с матрицей планирования проведен активный бактериологический эксперимент, показатели качества исходной воды в котором представлены в каждой строке матрицы.

После статистической обработки экспериментальных данных получена математическая модель процесса озонирования в виде уравнения регрессии 2го порядка:

(1)

In У = -2.36 - 2.42Xi + 0.06Х2 + 0.14Х3 + 0.53Х4 + 0.71Х5 + + 0.67Хб + 0.35X7 + 0.07ХхХз + О.26Х1Х4 - I.29X1X5 + + 0. 28ХхХ6 + 0.05Х2Х3 - О.О9Х2Х4 - 0.06Х2Х5 -- 0.04Х3 Х4 - 0.16Х4 Х5 - 0.20Х4 Х6 - 0.23Х5 Х6

Была проверена значимость коэффициентов уравнения регрессии. Незначимые члены модели из уравнения исключены. Ими оказались некоторые парные взаимодействия. Установлено, что влияние факторов в процессе озонирования неравнозначно. Наибольшее влияние из линейных членов модели на эффективность озонирования оказала доза озона (Xi), превосходя значимость инициального заражения (Х5), цветности (Х7) и времени введения дозы озона (Х4) в 3-4 раза, а значимость активной реакции воды (Х2 ) - в 40 раз. Воздействие фактора Xt имеет противоположную направленность по отношению ко всем другим отдельным факторам, что лишний раз подтверждает результаты полученные нами ранее: при увеличении времени озонирования одна

и та же доза дает худший результат, в то время как увеличение дозы озона улучшает результат озонирования.

Уравнение дает представление о значимости парных взаимодействий факторов и их влиянии на результат озонирования. Наиболее значимое Влияние на выходной параметр оказывает взаимодействие дозы озона и исходного заражения, что не противоречит логике: X! и Х5 среди линейных членов обладают большими коэффициентами, а данные литературы и наши исследования показали, что с увеличением инициальной обсемененности воды для получения заданного результата доза озона должна быть повышена.

Таким образом, анализ результатов эксперимента показал, что обеззараживание питьевой воды озоном представляет собой сложный процесс, результаты которого зависят не только от исходных показателей качества воды и условий озонирования, но и от различных их комбинаций. При этом степень влияния линейных членов модели и парных взаимодействий неравнозначна и имеет различную направленность.

Следующий этап исследований предусматривал проверку адекватности модели процесса озонирования, которая проводилась в лабораторных и производственных условиях.

В лабораторных условиях было получено доказательное соответствие экспериментальных и теоретически предсказанных результатов. Сопоставление доз озона — теоретически вычисленных и использованных в эксперименте для обеззараживания, позволило выделить три варианта результатов.

Экспериментальная доза озона выше теоретически рассчитанной (отмечена в 25% опытов). После озонирования наступила полная гибель микроорганизмов. Наиболее вероятное объяснение такого эффекта — превышение оптимальной дозы озона. Данная гипотеза подтверждается при сравнении экспериментальной дозы озона (10 мг/л) с теоретически рассчитанными: в опыте 13 оптимальной дозой будет 9.6 мг/л. В опытах 25 и 32 — соответственно 3.6 и 4.0 мг/л.

При совпадении экспериментальной и теоретически рассчитанной доз озона было обеспечено качество обеззаражен-

ной воды по бактериологическому показателю в соответствии с требованиями стандарта. Это свидетельство оптимальной дозы озона для воды с данными качественными и количественными характеристиками. Достаточный гигиенический эффект при воздействии опытных доз озона, совпадающих с теоретически рассчитанными (10-10.1 мг/л), подтверждает адекватность полученной модели.

Однако в ряде опытов экспериментальная доза озона была явно недостаточна для обеспечения эпидемической безопасности воды. При этом было установлено, что чем больше экспериментальная доза озона отличается от теоретически рассчитанной и чем больше показателей качества воды приближается к верхнему уровню (+1), тем выше коли-индекс озонированной воды.

Таким образом проведенные в лабораторных условиях проверочные эксперименты показали адекватность модели процесса озонирования и возможность использования ее для выбора наиболее экономичных условий озонирования (оптимальной дозы озона) и прогнозирования результатов обеззараживания воды известного качественного состава.

В задачу наших исследований входила также оценка адекватности математической модели процесса озонирования и в производственных условиях.

Испытания проводились на озонаторных установках грузовых судов речного флота, курсировавших в бассейнах рек Верхней Волги и Оки. Суда забирали воду в створах, согласованных органами Государственного санитарно-эпидемиологического надзора (4 створа на В. Волге и 5 — на р. Оке).

Учитывая, что качественный состав забортной воды может меняться даже на небольшом протяжении, озонирование проводилось в постоянном режиме дозой озона 10 мг/л в соответствии с технологической инструкцией озонатора "Озон — 0,5 УТ".

Расчитанные по модели дозы озона для выбранных створов, с известным качеством исходной воды составили от 5 мг/л до 9.5 мг/л (качество воды определяется с определен-

ной периодичностью органамиГосударственногосанитарно-эпидемиологичеекого надзора на речном флоте). Последние соответствуют "паспортным" дозам озона и должны быть достаточными для обеспечения эпидемической безопасности воды. Проведенный по математической модели прогноз результатов обеззараживания показал, что при режиме озонирования дозой озона 10 мг/л в течение 10 минут, количество E.coli в 1 л озонированной воды должно составить от 0 до 3.

Однако при проведении натурных испытаний в 90 % проб озонированной воды было выявлено существенное превышение содержания кишечных палочек относительно норматива (до 2000 м.т. в 1 л). Таким образом, фактическая эффективность озонирования составила от 10% до 50%, что по результатам моделирования, подтвержденного лабораторными экспериментальными данными, соответствует дозам озона ниже 5 мг/л.

Полученное расхождение между фактическими и теоретическими результатами озонирования позволило сделать вывод о несоответствии фактически использованных доз озона "паспортным" дозам озонатора. Данный вывод был подтвержден в ходе проверки технологии процесса водоподготовки. После устранения нарушений эффективность озонирования забортной воды соответствовала прогнозу, осуществленному по модели, и обеспечивалось качество воды требуемое нормативными документами.

Таким образом, подтверждена адекватность модели процесса озонирования в производственных условиях. Показана возможность использования модели для оценки качества режима озонирования (определение фактически затраченных доз озона).

Уравнение (1) было использовано для моделирования и визуализации эффективности процесса озонирования воды с различным качественным составом внутри области исследования. Было смоделировано более 140 различных комбинаций качественного и количественного состава воды и условий озонирования внутри области исследования.

выводы

1. Определяющими в эффективности обеззараживания являются доза озона и время ее действия. При увеличении дозы озона и сокращении времени ее подачи повышается эффективность обеззараживания питьевой воды.

2. Бактерицидное действие озона существенно зависит от показателей инициального бактериального загрязнения, цветности, мутности и температуры воды. При повышении этих показателей эффективность обеззараживающего действия озона снижается. Величина рН на эффективность озонирования влияния не оказывает.

3. Ведущим механизмом в бактерицидном действии озона является дезинтеграция клеточных структур. К воздействию озона относительно устойчивы ферменты энергетического обмена бактерий. Методом обратных мутаций по нескольким маркерам ауксотрофности выявлен высокий мутагенный эффект озона. Реактивации бактерий в процессе хранения озонированной воды не наблюдается.

4. Бактерицидное действие озона развивается быстро, этап-ность в механизме его действия не выявлена. Это позволяет исключить внутренние параметры биологической среды из числа существенных для разработки математической модели процесса озонирования.

5. Для создания математической модели процесса озонирования необходимым и достаточным является учет только внешних факторов среды. К ним отнесены доза озона, время ее введения, величина инициального заражения, цветность, мутность воды и ее температура.

6. Впервые научно обоснованы параметры математического моделирования процесса озонирования питьевой воды и разработана его модель. Модель в лабораторных и натурных условиях позволяет определять оптимальный режим озонирования воды извествного качественного состава и с высокой степенью достоверности прогнозировать эффективность обеззараживания.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Влияние отдельных факторов на обеззараживание питьевой воды озоном //В сб.: Методы определения допустимой нагрузки загрязнений на объекты окружающей среды, Пермь,1983, С.27 - 28.

2. Стандартизация в области хозяйственно-питьевого водоснабжения В кн.: Материалы I съезда гигиенистов и санитарных врачей Молдавской ССР, Кишинев, 1982, С.36- 37 (соавт. К.И. Акулов, В.Т. Мазаев, Т.Г. Шлеп-нина).

3. К использованию дифференциальных тестов кишечной палочки при контроле за качеством озонированной воды //В сб.:материалов I Всесоюзной конференции: "Гигиеническое изучение биологического загрязнения окружающей среды", М.,1983, С.71.

4. Гигиеническая и токсикологическая оценка новых химических веществ, реагентов и методов очистки питьевых и сточных вод, влияние на условия жизни и здоровье населения//Отчет по НИР, № гос. per. 81003290, 1985г. (соавт. сотрудники кафедры).

5. Гигиенические аспекты озонирования питьевой воды // В сб.: Гигиенические аспекты обеззараживания питьевой воды, Н.Новгород, 1991, С.2 - 3 (соавт. В.Т.Мазаев, Т.Г.Шлепнина).

6. Оптимизация условий обеззараживания воды озоном методом планирования эксперимента //В кн. Материалы съезда гигиенистов Кыргызстана,1991, С.35 - 36 (соавт. A.B.Куликов, Н.А.Чернова).

7. К вопросу о возможности реактивации E.coli 675 в озонированной воде // В кн. Материалы съезда гигиенистов Кыргызстана, 1991, С.34 - 35 (соавт. А.В.Куликов).

8. Поиск оптимальных условий обеззараживания воды озоном методом математического планирования эксперимента //Гигиена и санитария, 1996, № 4, С. 3 - 5.